JP3636571B2 - Alignment method and exposure apparatus - Google Patents
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- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
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- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置合わせ方法及び露光装置に関するもので、特に半導体素子製造用のステップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式の投影露光装置等に用いられる、第1物体であるレチクルに形成されているIC、LSI、VLSI等に係るパターンと第2物体であるウエハーに形成されているパターンとの相対的位置合わせ(アライメント)を行なう際に好適な位置合わせ方法及び当該位置合わせ方法が適用された露光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の高密度化に伴い、半導体素子製造用の投影露光装置では、レチクル面上の回路パターンをウエハー面上にますます高い解像力で投影露光することが要求されている。露光装置の投影解像力を向上させる方法には露光光の波長を固定して投影光学系のNAを大きくする方法や、露光光の波長を、より短波長化する、例えばg線からi線、i線からエキシマレーザの発振波長へ移行する等の方法がある。
【0003】
一方、回路パターンの微細化に伴い、レチクル上に形成されている電子回路パターンとウエハー上のパターンを高精度にアライメントすることが要求されている。レチクルとウエハーの位置合わせはウエハー面上に塗布されたレジストを感光させる露光光を使用する場合と、レジストを感光させない非露光光、例えばHe−Neレーザの発振波長である633nmの波長を使用する場合がある。現在実用化されているアライメント波長は半導体プロセスに影響されにくいというメリットのため、非露光光がほとんどである。
【0004】
本出願人も、非露光光を用いた位置合わせ装置を、特開昭63−32303号公報や、特開平2−130908号公報等で提案しており、実際に製品化されて効果が確認されている。この方法は非露光TTL Offaxis方式と呼ばれているもので、レチクル上のパターンをウエハー上に転写投影する投影光学系を介してウエハー上のパターンを非露光光で観察する方式である。非露光光の波長で観察すると前記投影光学系には色収差が発生するが、該色収差はアライメント光学系で補正される。これに対し、投影光学系を介さず全く独立した光学系(Offaxis顕微鏡)でウエハーを観察してアライメントするNon−TTL Offaxis方式と呼ばれる方法もある。
【0005】
上記出願に見られるように、現在実際に使用されているアライメント方法のほとんどにはウエハー上のアライメントマークの光学像をCCDカメラ等の撮像素子に結像し、該撮像素子から得られる電気信号を処理して、ウエハーの位置を検出するいわゆる画像処理法が採用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述の本出願人になる画像処理を利用した非露光TTL Offaxis方式はi線を露光光とするi線ステッパには使用されているが、エキシマレーザを露光光源とした投影露光装置、所謂エキシマステッパには採用されていない。この理由はエキシマステッパの場合、投影光学系での非露光の波長での収差、例えば波長633nmにおける色収差が非常に大きいためである。エキシマステッパにおいて画像処理を前提にした位置合わせ方式を非露光TTL Offaxis方式で開口数(NA)0.2以上で構成しようとすると、アライメントのための補正光学系が投影光学系と同じくらいの大きさとなり、装置化する上でほとんど可能性がない。
【0007】
また、たとえその大きさで構成できたとしても、TTL Offaxis補正光学系と投影光学系との相対関係を表わすベースラインの変動要因となる各光学系の敏感度が高くなる。このためベースラインの安定性が特徴であるはずの非露光光TTL Offaxis方式が、Non−TTL Offaxis方式と同じ欠点をもつことになってしまう。勿論、TTL Offaxis方式固有のウエハーを駆動するステージの駆動ストロークや精度の点で有利な点はあるものの、装置の大きさ等の点でNon−TTL Offaxis方式のほうが構成面で有利となってしまう。
【0008】
このためエキシマステッパにおいては前述の非露光光TTL Offaxis方式の代わりに、投影光学系に影響されない非露光光のNon−TTL Offaxis方式を採用しているところが殆どである。非露光光のNon−TTL Offaxis方式ではOffaxis顕微鏡と投影光学系との距離、いわゆるベースラインの時間的変動が精度悪化の主要因となる。このため、熱に影響されにくい部材を使用したり、頻繁にベースライン補正を行なう等のことが高精度化に必要とされる。
【0009】
また、現在はウエハープロセスにより形成されたアライメントマークを用いた検出が行なわれているが、この場合プロセスによってアライメントマークの形状が異なるため、画像処理しずらい段差構造となる場合がありうる。例えばCMP工程等の平坦化プロセスでは、アライメント信号が低下して、検出精度の悪化や検出率の低下が問題となっている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の位置合わせ方法及び露光装置は上記問題点を解決する方法としてウエハー周辺部に予め複数のノッチマークを形成し、該ノッチマークを基準マークとして使用し、該ノッチマークの位置を投影光学系とレチクルを介して検出するTTL+TTR露光光スコープ等の高精度検出系により検出することを特徴とする。具体的には、本発明の露光装置は、第1物体上のパターンを第2物体上のパターンに位置合わせして露光転写する露光装置において、前記第2物体に予め形成された複数のノッチマークの位置を計測する計測系と、
第1の露光工程における前記計測系による計測結果に基づいて得られた前記複数のノッチマークの位置に関する情報を記憶する記憶手段と、前記第1の露光工程より後の第2の露光工程における前記計測系による計測結果と前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記第2の露光工程における前記第2物体上のパターンの位置を決定する決定手段とを有することを特徴としている。又、本発明の位置合わせ方法は、第1物体上のパターンを第2物体上のパターンに位置合わせして露光転写する露光装置に用いられる位置合せ方法おいて、第1の露光工程において、前記第2物体に予め形成された複数のノッチマークの位置を計測し、該計測結果に基づいて得られた前記複数のノッチマークの位置に関する情報を記憶し、前記第1の露光工程より後の第2の露光工程において、前記第2物体に予め形成された複数のノッチマークの位置を計測し、該計測結果と前記記憶された情報とに基づいて、前記第2の露光工程における前記第2物体上のパターンの位置を決定することを特徴としている。
【0011】
一般にウエハーには外形を検出するために図8(A)に示すオリエンテーションフラット1aや図8(B)に示すノッチ1b等のマークが形成され、該マークの位置を検出してウエハーの回転方向及び外形中心を求めていた。図9は該マーク検出の一例を示すもので、同図は回転ステージRSによりウエハー1を回転させ、ウエハの周辺部に配置された発光ダイオードLEDからの光L1をラインセンサーLSで受光する方式である。ラインセンサーLSからの出力変動をモニターすることによりオリエンテーションフラットやノッチの位置を検出している。図9に示す構成での位置検出精度は数十ミクロンオーダーである。図9の構成ではサブミクロンオーダーの検出を望むことは難しい。
【0012】
本発明では2次元的な位置検出を行なうためにウエハー周辺にノッチマークを複数個配置し、該複数個配置したノッチマークに対し専用の検出系を設け、これにより検出率及び検出精度の問題を解決することを特徴としている。複数個のノッチマークはウエハー固有に配置されたマークであるため、露光装置側でノッチの位置を正確に検出すれば、ウエハー上のパターンはノッチマークに従って自動的に決定される。この方法は殆どのプロセスに対し安定で、高精度な位置合わせをすることが可能である。
【0013】
更に本発明の検討過程でノッチ自身の形状がプロセスの影響で変形し、検出の際にシフト成分のオフセットが発生する場合がまれに存在することが判明した。本発明のもう一つの目的はプロセスの影響を受けないノッチ計測を可能とする位置合わせ方法及び位置合わせ装置を提供することにある。発明者の見い出したところによればノッチマークの変形は上部だけで、下部は変形を受けにくい。そのため本発明ではノッチマークの下部のみを上部面に影響されないような検出条件を持つ検出系で検出することを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
ノッチマークを高精度に検出するための検出系の構成には
▲1▼TTL+TTR検出系
▲2▼Non−TTL Offaxis検出系
▲3▼TTL Offaxis検出系
などがある。構成▲3▼のTTL+Offaxis検出系は投影光学系を介する(これを「TTL」と定義する。)が、レチクルを介するのを以下「TTR」と定義するとレチクルは介さない(TTRではない)検出系である。
【0015】
図1は本発明で用いる位置検出の対象となるウエハー1に予め複数のノッチマーク2、3、4が形成されている状態、図2は該ノッチマークを検出する位置合わせ装置の実施形態1の要部概略図である。位置合わせ装置は半導体素子製造用の露光装置の一構成要素として機能する。ノッチマークは基準マークとしての役割を果たし、2次元的な位置合わせを行なうために複数個配置されている。
【0016】
図2はウエハー上の複数のノッチマーク2、3、4を投影光学系を介し(TTL)しかもレチクルRを介する(TTR)方式で検出する所謂TTL+TTR検出系である。レチクルを透過し(TTR)、かつ投影光学系を介して(TTL)露光光で検出を行なう検出系では、例えばi線ステッパーなら超高圧Hgランプを光源としたi線(365nm)、エキシマステッパーにおいてはエキシマレーザー発振波長(248nmあるいは193nm)が使用される。
【0017】
図2はエキシマステッパーの例で、露光光であるエキシマレーザ5からの発振光(パルス光)6はファイバー7で導光され、位置合わせ顕微鏡であるアライメントスコープASの照明系8に入射してリレーレンズ10、対物レンズ11を透過し、レチクル12を照明する。レチクル12を透過した光は投影光学系13を透過し、ウエハー1上のノッチマーク2を照明する。
【0018】
照明されたノッチマーク2の像14は今度は照明時とは逆に投影光学系13、レチクル12、対物レンズ11、リレーレンズ10を透過し、エレクター15で正立正像となって、CCDカメラ16上に結像する。像14はCCDカメラ16で光電変換され、高速画像処理電子回路を含むコンピュータ51に取り込まれて画像処理され、ノッチマーク2の位置が検出される。本実施例では、アライメントスコープASとコンピューター51はノッチマーク2を計測する計測系を構成している。
【0019】
ノッチマーク2の位置を検出すると、レーザ干渉計26で制御されるXYステージ18はノッチマーク3が検出可能な位置までウェハー1を移動する。ノッチマーク3の検出が終了すると、XYステージ18はウェハー1をノッチマーク4が検出可能な位置まで移動する。このようにして複数個のノッチマークの位置を検出している。
【0020】
レチクル12上には図3に示すレチクルマーク19が配置されていて、ノッチマーク2、3、4とレチクルマーク19との相対位置が検出される。図4はノッチマーク2の検出時の画像、図5、6はそれぞれノッチマーク3、4を検出時の画像を示すものである。
【0021】
図2において20は照明系で、回路パターンが形成されているレチクル12を露光光で照明する。投影光学系13はレチクル12面上の回路パターンをウエハー1の面上に、例えば1/5倍に縮小投影する作用をもっている。
【0022】
ウエハー1はウエハーチャック21上に置かれる。ウエハーチャック21は駆動手段であるθ−Zステージ22上に配置され、ウエハー1をチャック表面に吸着することで、各種振動に対しウエハー1の位置がずれないようにする。θ−Zステージ22はチルトステージ23の上に構成され、ウエハー1をフォーカス方向である投影光学系の光軸方向に上下動させる役目を持つ。
【0023】
チルトステージ23はレーザ干渉計26で制御するXYステージ18上に構成され、ウエハー1の反りを投影光学系13の像面に対して最小となるように補正する。またチルトステージ23独自でフォーカス方向に駆動することも可能である。チルトステージ23上に構成したバーミラー25はレーザー干渉計26によりXYステージ18の駆動量をモニターしている。レーザー干渉計26は回線を通じてコンピュータ51に駆動量に関する計測値を転送する。
【0024】
図2に示したフォーカス計測の投光系29、検出系30はフォーカスだけでなく、ウエハーの面の傾きも検出し、該検出結果を用いてチルトステージ23でその量を補正する。ウエハー1の面のフォーカス計測値は、検出系30から回線を通じ、コンピュータ51に転送される。
【0025】
ノッチマーク検出のシーケンスは半導体素子作成工程の初め、いわゆるファーストマスク時に先ず行なわれる。この時に計測した各ウエハーの縦横倍率は各ウエハー毎の固有の値としてコンピューター51内の記憶手段に記憶される。続く2番目以降の工程においても前述のノッチマーク検出のシーケンスが行なわれる。ノッチ検出時の値は各ウエハー固有の値として記憶されているので、各ウエハの変形が各工程に対してトレースできる。この時のシフト成分はノッチマーク2、3、4の平均値を使用する。また縦横倍率は前述のファーストマスク時に計測した縦横倍率からの差分を工程間での倍率変化としてウエハー露光時のXYステージ18またはレチクルステージの駆動量と投影光学系13の縮小倍率に反映させて補正し逐次露光を行なっていく。
【0026】
ノッチマークの計測ではコンピューター51内の決定手段によってX、Yシフト成分だけでなく、ウエハー全体における倍率、直交性、回転、ショットに関する倍率、回転がノッチマーク基準に求められる。この時、各ウエハー毎のプロセス倍率等のパラメータが安定して一定の値であれば、ウエハー毎にファーストマスク時の計測値を覚えておかなくても、最初の数枚でパラメータを決定し、残りのウエハーは露光時に該決定値を反映して露光することも可能である。
【0027】
TTL+TTR露光光検出では直接レチクルとノッチマークを計測しレチクルとウエハーの相対位置を検出できるので、Offaxis顕微鏡を用いた検出における投影光学系と顕微鏡とのベースラインの変動を考慮しなくてよいというTTL+TTR露光光検出系の長所を生かすことができる。TTL+TTR露光光検出はOffaxis顕微鏡を用いる場合のように、熱的に影響されにくい部材を使用したり、頻繁にベースライン補正を行なうことが不必要となり、装置コストの低下とスループットの向上が達成可能となる。また、ノッチマークを検出するので、CMP等の半導体プロセスの影響を受けないため、複雑な最適化が不要で、COOが向上できる。
また構成▲2▼のNon−TTL Offaxis検出系、構成▲3▼のTTL+Offaxis検出系についても同様な構成が可能である。
【0028】
しかしながら前述の様に、ノッチ自身の形状もプロセスの影響で変形し、検出の際にシフト成分のオフセットが発生する場合がまれに存在することが判明した。プロセスの影響を受けないノッチ計測を可能とするため、ノッチマークの変形がマークの上部だけで、下部は変形を受けにくいという発明者の見い出した事実を利用している。そのため本発明ではノッチマークの下部のみを上部面に影響されないように検出することを特徴としている。またウエハーに刻まれたノッチマークは上部即ち表面側の面積が、下部即ち裏面の面積より小さくなるように刻まれている。
【0029】
図7は本発明の位置合わせの原理を示す説明図である。ウエハー1の断面は上部(表面)62と下部(裏面)63の関係が、上部の面積が少なく下部の面積が大きいテーパーのついた形になっている。ウエハー1は従って端面64がウエハーチャック21に対して垂直でなく傾いた形となり、上部から観察したとき下面が必ず観察可能となっている。
【0030】
65はノッチマーク下部を検出する検出系で、上部面62と下部面63が同時に観察できないような光学的深度を持つ構成となっている。具体的には光学的深度のレンジを表わす4λFe∧2の値をウエハー厚dの1/10以下の値となるような値に設定する方法や、コンフォーカル顕微鏡で構成する等の方法があげられる。
【0031】
以下便宜上、ウエハー1の下部面63を上部面62と分離して検出する方法を分離検出、該検出を行なう検出系を分離検出系と呼ぶことにする。
【0032】
前述したようにプロセスの影響により変形するのはノッチマークの上部面62だけなので、ノッチマークの下部面のみを上部面から分離して検出できれば、プロセスの影響から独立した、即ちCMP等の半導体形成プロセスの影響を受けない検出系が構築できる、更にこの系ではノッチマークといういつも一定のマークを観察できるため、複雑な最適化が不要で、COO向上と、安定し、高精度なアライメントが可能となる。
【0033】
ノッチマークを高精度に分離検出するための検出系の構成にも
▲4▼TTL+TTR分離検出系
▲5▼Non−TTL Offaxis分離検出系
▲6▼TTL+Offaxis分離検出系
などがある。構成▲6▼のTTL+Offaxis分離検出系は投影光学系を介する(TTL)が、レチクルは介さない(TTRではない)検出系である。
【0034】
構成▲4▼のTTL+TTR分離検出系を位置合わせ装置に適用した構成は基本的には図2の構成と同じである。ウエハーの位置検出はウエハー周辺部分に形成された複数のノッチマークの位置をTTL+TTR露光光スコープにより検出する。図2の光学系の作用については既に説明したが、ウエハー検出系の波長λと検出系のNAを前述の様に分離検出可能な値とすることが構成▲4▼の条件となる。別の構成としてコンフォーカルな検出系としても良い。
【0035】
本実施形態では3個以上のノッチマークの下部と、直接レチクルを計測しレチクルとウエハーの相対位置を検出できるので、Offaxis顕微鏡を用いた検出における投影光学系と顕微鏡とのベースラインの変動を考慮しなくてよいTTL+TTR露光光検出系の長所を生かすことができる。
【0036】
TTL+TTR露光光検出はOffaxis顕微鏡を用いる場合のように、熱的に影響されにくい部材を使用したり、頻繁にベースライン補正を行なうことが不必要となり、装置コストの低下とスループットの向上が達成可能となる。また、ノッチマークを検出するので、CMP等の半導体プロセスの影響を受けないため、複雑な最適化が不要で、COOの向上が可能である。
【0037】
構成▲5▼のNon−TTL Offaxis分離検出系でも構成▲4▼と同様に検出系の波長λと検出NAを前述の様に分離可能な値とすることや、コンフォーカル検出することでプロセスの影響を受けない検出系が達成される。
【0038】
構成▲5▼の応用として、ベースラインの安定性を求めるため各ウエハーでベースライン変動を受けないような構成が必要となる。このため分離検出を行なうNon−TTL Offaxis検出系と、TTL+TTR検出系と同じ光学条件の検出系の2種類を構成する。TTL+TTR検出系の方は必ずしも分離検出系である必要はない。この2種類の検出系で同じノッチマークを計測し、この時の計測値の差をオフセットとする。オフセット値の変動はベースラインの変動に対応する。次いでTTL+TTR検出系でノッチマークを計測し、先程のオフセットを考慮して露光を行なう。
【0039】
ここで同じ光学条件とは検出波長、NA、照明のσといった設計上の値だけでなく、調整状態の同一性も含んでいる。同じ光学条件にすることによりノッチマークがプロセスに影響されて変形したときにNon−TTL Offaxis検出系で発生するオフセットの値と、TTL+TTR検出系で発生するオフセットの値を同じ値とすることができる。
【0040】
製造及び調整状態を定量的に把握するにはTIS(Tool InducedShift)という概念を使用するとよい。TISの調整では計測するウエハーのパターン要因で発生するオフセット(Wafer InducedShift)と検出系要因で発生するオフセットTISとを分離する。分離するために計測するパターンの配置が0度である基準状態と、該パターンを180度回転、即ちウエハーを180度回転した2つの状態で計測を行なう。該計測結果からTISの値が決定され、TISの値を小さくするように検出系を調整することができる。TISによる調整方法を利用した提案は本出願人により特願平8−112059号で提案され、実用化されている。2つの検出系に互換性を持たせるためにはTISの値をある所定の小さな値以下に調整することが必須である。
【0041】
構成▲6▼のTTL Offaxis分離検出系は構成▲5▼のNon−TTL Offaxis検出系よりベースラインが安定し、アライメント波長が露光光である必要がないといった前述の2つの系の長所を持つ系である。ただし非露光光検出のTTLのため投影光学系で発生する非露光光の収差を補正する必要があり、前述の2つの系より高NAとすることが難しいので分離検出を行なうにはコンフォーカル系とすることが有効である。
【0042】
以上▲4▼から▲6▼までの3つの検出系はそれぞれに特徴があるが、いずれもノッチマークの下部を分離検出することで、プロセスの影響を受けない安定した高精度アライメントを可能とする。
【0043】
ノッチマークの構成は図1のようにマーク2、3、4の3個に限るものではなく、より多くして精度の向上を期待することもできる。ただし例えばノッチを4個構成にした場合などウエハーの回転方向の姿勢が一義的に決まらないことがある。その場合には本実施例で示したのとは別の検出系を設けて回転方向の姿勢を検出すればよい。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位置合わせ方法及び露光装置によれば、安定した、高精度な位置合わせを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るノッチマークを適用したウエハー
【図2】本発明の位置合わせ装置を搭載した露光装置の要部概略図
【図3】レチクルマークの説明図
【図4】ノッチマーク2の検出画像
【図5】ノッチマーク3の検出画像
【図6】ノッチマーク4の検出画像
【図7】ウエハーのノッチマークの下部を上部と分離検出する説明図
【図8】従来のウエハーに記されているマーク
【図9】ノッチマークを回転させて位置検出する従来の検出系、
【符号の説明】
1 ウエハー、
2、3 、4 ノッチマーク、
5 エキシマレーザ等の露光光源、
7 ファイバー、
8 アライメント照明光学系、
9 ビームスプリッタ、
10 リレーレンズ、
11 対物レンズ、
12 レチクル、
13 縮小投影光学系、
14 ミラー、
15 エレクター、
16 CCDカメラ、
17 CCDカメラ上に形成されたノッチマーク像、
18 XYステージ、
19 レチクルマーク、
20 照明光学系、
21 ウエハーチャック、
22 θ−Zステージ、
23 チルトステージ、
25 バーミラー、
26 レーザー干渉計、
29 フォーカス計測系(投光系)、
30 フォーカス計測系(検出系)、
51 コンピュータ、
62 ウエハーのノッチマーク上部、
63 ウエハーのノッチマーク下部、
64 ウエハーの端面、
65 分離検出系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an alignment method and an exposure apparatus, and in particular, an IC formed on a reticle , which is a first object, used in a step-and-repeat or step-and-scan projection exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element, BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an alignment method suitable for performing relative alignment (alignment) between a pattern related to LSI, VLSI, etc. and a pattern formed on a wafer as a second object, and an exposure apparatus to which the alignment method is applied. Is.
[0002]
[Prior art]
As the density of semiconductor integrated circuits increases, projection exposure apparatuses for manufacturing semiconductor elements are required to project and expose circuit patterns on the reticle surface onto the wafer surface with an increasingly higher resolution. As a method for improving the projection resolving power of the exposure apparatus, there is a method of increasing the NA of the projection optical system by fixing the wavelength of the exposure light, or shortening the wavelength of the exposure light, for example, from g-line to i-line, i There is a method of shifting from the line to the oscillation wavelength of the excimer laser.
[0003]
On the other hand, with the miniaturization of circuit patterns, it is required to align the electronic circuit pattern formed on the reticle and the pattern on the wafer with high accuracy. The alignment between the reticle and the wafer uses exposure light that sensitizes the resist applied on the wafer surface and non-exposure light that does not sensitize the resist, for example, a wavelength of 633 nm, which is the oscillation wavelength of a He-Ne laser. There is a case. The alignment wavelength currently in practical use is mostly non-exposure light because it is less susceptible to the semiconductor process.
[0004]
The present applicant has also proposed an alignment apparatus using non-exposure light in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-32303, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-130908, etc. ing. This method is called a non-exposure TTL Offaxis method, and is a method of observing a pattern on a wafer with non-exposure light via a projection optical system that transfers and projects the pattern on the reticle onto the wafer. When observed at the wavelength of the non-exposure light, chromatic aberration occurs in the projection optical system, and the chromatic aberration is corrected by the alignment optical system. On the other hand, there is also a method called a Non-TTL Offaxis method in which a wafer is observed and aligned with a completely independent optical system (Offaxis microscope) without using a projection optical system.
[0005]
As seen in the above-mentioned application, in most of the alignment methods that are actually used at present, an optical image of an alignment mark on a wafer is formed on an image sensor such as a CCD camera, and an electric signal obtained from the image sensor is obtained. A so-called image processing method is employed in which the position of the wafer is detected by processing.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned non-exposure TTL Offaxis method using image processing by the present applicant is used for an i-line stepper that uses i-line as exposure light, but a projection exposure apparatus that uses an excimer laser as an exposure light source, a so-called excimer stepper. Has not been adopted. This is because, in the case of an excimer stepper, aberration at a non-exposure wavelength in the projection optical system, for example, chromatic aberration at a wavelength of 633 nm is very large. If an alignment method based on image processing in the excimer stepper is to be configured with a non-exposure TTL Offaxis method with a numerical aperture (NA) of 0.2 or more, the alignment correction optical system is as large as the projection optical system. That is, there is almost no possibility in making it into a device.
[0007]
Even if the optical system can be configured with that size, the sensitivity of each optical system, which becomes a variation factor of the baseline indicating the relative relationship between the TTL Offaxis correction optical system and the projection optical system, is increased. For this reason, the non-exposure light TTL Offaxis system, which should be characterized by the baseline stability, has the same drawbacks as the Non-TTL Offaxis system. Of course, although there are advantages in terms of the driving stroke and accuracy of the stage that drives the wafer specific to the TTL Offaxis system, the Non-TTL Offaxis system is more advantageous in terms of configuration in terms of the size of the apparatus. .
[0008]
For this reason, most excimer steppers employ a non-exposure light non-TTL offset method that is not affected by the projection optical system, instead of the non-exposure light TTL offset method described above. In the non-exposure Non-TTL Offaxis system, the distance between the Offaxis microscope and the projection optical system, that is, the temporal variation of the so-called baseline is the main factor of deterioration in accuracy. For this reason, it is necessary for high accuracy to use a member that is not easily affected by heat, or to frequently perform baseline correction.
[0009]
At present, detection using an alignment mark formed by a wafer process is performed. In this case, since the shape of the alignment mark varies depending on the process, there may be a step structure in which image processing is difficult. For example, in a flattening process such as a CMP process, the alignment signal is lowered, and deterioration of detection accuracy and detection rate are problematic.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the alignment method and the exposure apparatus of the present invention form a plurality of notch marks in advance on the periphery of the wafer, use the notch marks as reference marks, and determine the positions of the notch marks as a projection optical system. And a high-precision detection system such as a TTL + TTR exposure light scope that detects through a reticle. Specifically, an exposure apparatus according to the present invention is an exposure apparatus that performs exposure transfer by aligning a pattern on a first object with a pattern on a second object, and a plurality of notch marks formed in advance on the second object. A measurement system that measures the position of
Storage means for storing information on the positions of the plurality of notch marks obtained based on the measurement result by the measurement system in the first exposure process; and the second exposure process after the first exposure process. And determining means for determining the position of the pattern on the second object in the second exposure step based on the measurement result of the measurement system and the information stored in the storage means. The alignment method of the present invention is an alignment method used in an exposure apparatus that aligns a pattern on a first object with a pattern on a second object and performs exposure transfer. The positions of a plurality of notch marks formed in advance on the second object are measured, information on the positions of the plurality of notch marks obtained based on the measurement results is stored, and a second after the first exposure step is stored. In the second exposure step, the positions of a plurality of notch marks formed in advance on the second object are measured, and the second object in the second exposure step is based on the measurement result and the stored information. It is characterized by determining the position of the upper pattern.
[0011]
In general, a wafer is formed with marks such as an orientation flat 1a shown in FIG. 8A and a notch 1b shown in FIG. 8B in order to detect the outer shape. The center of the outline was sought. FIG. 9 shows an example of the mark detection. In this figure, the wafer 1 is rotated by the rotary stage RS, and the line sensor LS receives the light L1 from the light emitting diodes LED arranged in the peripheral portion of the wafer. is there. The position of the orientation flat or notch is detected by monitoring the output fluctuation from the line sensor LS. The position detection accuracy in the configuration shown in FIG. 9 is on the order of several tens of microns. In the configuration of FIG. 9, it is difficult to desire submicron order detection.
[0012]
In the present invention, in order to perform two-dimensional position detection, a plurality of notch marks are arranged around the wafer, and a dedicated detection system is provided for the plurality of notch marks arranged, thereby reducing the problem of detection rate and detection accuracy. It is characterized by solving. Since the plurality of notch marks are marks uniquely arranged on the wafer, if the position of the notch is accurately detected on the exposure apparatus side, the pattern on the wafer is automatically determined according to the notch mark. This method is stable for most processes, and enables highly accurate alignment.
[0013]
Furthermore, it has been found in rare cases that the shape of the notch itself is deformed by the influence of the process during the examination process of the present invention, and an offset of the shift component occurs during detection. Another object of the present invention is to provide an alignment method and an alignment apparatus that enable notch measurement that is not affected by the process. The inventors have found that the notch mark is deformed only at the upper part and the lower part is not easily deformed. Therefore, the present invention is characterized in that only the lower part of the notch mark is detected by a detection system having a detection condition that is not affected by the upper surface.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The configuration of the detection system for detecting the notch mark with high accuracy includes (1) TTL + TTR detection system, (2) Non-TTL Offset detection system, and (3) TTL Offset detection system. The TTL + Offaxis detection system of configuration (3) is through a projection optical system (this is defined as “TTL”), but if the reticle is defined as “TTR” hereinafter, the reticle is not through (not TTR). It is.
[0015]
FIG. 1 shows a state in which a plurality of notch marks 2, 3, 4 are formed in advance on a wafer 1 to be used for position detection used in the present invention, and FIG. It is a principal part schematic diagram. The alignment apparatus functions as one component of an exposure apparatus for manufacturing semiconductor elements. A plurality of notch marks serve as reference marks, and a plurality of notch marks are arranged for two-dimensional alignment.
[0016]
FIG. 2 shows a so-called TTL + TTR detection system that detects a plurality of notch marks 2, 3, and 4 on a wafer through a projection optical system (TTL) and through a reticle R (TTR). In a detection system that transmits through a reticle (TTR) and detects with exposure light via a projection optical system (TTL), for example, in the case of an i-line stepper, i-line (365 nm) using an ultrahigh-pressure Hg lamp as a light source, Excimer laser oscillation wavelength (248 nm or 193 nm) is used.
[0017]
FIG. 2 shows an example of an excimer stepper. Oscillation light (pulse light) 6 from an excimer laser 5 as exposure light is guided by a fiber 7 and incident on an illumination system 8 of an alignment scope AS as an alignment microscope. The lens 10 and the objective lens 11 are transmitted, and the reticle 12 is illuminated. The light transmitted through the reticle 12 passes through the projection optical system 13 and illuminates the notch mark 2 on the wafer 1.
[0018]
The illuminated image 14 of the notch mark 2 passes through the projection optical system 13, reticle 12, objective lens 11 and relay lens 10, opposite to that at the time of illumination, and becomes an erect image by the erector 15. Image on top. The image 14 is photoelectrically converted by the CCD camera 16 and is captured and processed by a computer 51 including a high-speed image processing electronic circuit to detect the position of the notch mark 2. In this embodiment, the alignment scope AS and the computer 51 constitute a measurement system that measures the notch mark 2.
[0019]
When the position of the notch mark 2 is detected, the XY stage 18 controlled by the laser interferometer 26 moves the wafer 1 to a position where the notch mark 3 can be detected. When the detection of the notch mark 3 is completed, the XY stage 18 moves the wafer 1 to a position where the notch mark 4 can be detected. In this way, the positions of a plurality of notch marks are detected.
[0020]
A reticle mark 19 shown in FIG. 3 is arranged on the reticle 12, and a relative position between the notch marks 2, 3, 4 and the reticle mark 19 is detected. FIG. 4 shows an image when the notch mark 2 is detected, and FIGS. 5 and 6 show images when the notch marks 3 and 4 are detected, respectively.
[0021]
In FIG. 2, reference numeral 20 denotes an illumination system, which illuminates the reticle 12 on which a circuit pattern is formed with exposure light. The projection optical system 13 has a function of reducing and projecting a circuit pattern on the surface of the reticle 12 onto the surface of the wafer 1 by 1/5 times, for example.
[0022]
The wafer 1 is placed on the wafer chuck 21. The wafer chuck 21 is disposed on a θ-Z stage 22 that is a driving means, and adsorbs the wafer 1 to the chuck surface so that the position of the wafer 1 does not shift due to various vibrations. The θ-Z stage 22 is configured on the tilt stage 23 and has a role of moving the wafer 1 up and down in the optical axis direction of the projection optical system that is the focus direction.
[0023]
The tilt stage 23 is configured on the XY stage 18 controlled by the laser interferometer 26 and corrects the warpage of the wafer 1 so as to be minimized with respect to the image plane of the projection optical system 13. Further, the tilt stage 23 can be driven in the focus direction by itself. The bar mirror 25 configured on the tilt stage 23 monitors the driving amount of the XY stage 18 by a laser interferometer 26. The laser interferometer 26 transmits a measurement value relating to the driving amount to the computer 51 through a line.
[0024]
The focus measurement light projecting system 29 and detection system 30 shown in FIG. 2 detect not only the focus but also the tilt of the wafer surface, and the tilt stage 23 corrects the amount using the detection result. The focus measurement value of the surface of the wafer 1 is transferred from the detection system 30 to the computer 51 through a line.
[0025]
The sequence of notch mark detection is first performed at the beginning of the semiconductor element manufacturing process, so-called first mask. The vertical / horizontal magnification of each wafer measured at this time is stored in the storage means in the computer 51 as a unique value for each wafer. In the subsequent second and subsequent steps, the above-described notch mark detection sequence is performed. Since the value at the time of notch detection is stored as a value unique to each wafer, the deformation of each wafer can be traced for each process. The shift component at this time uses an average value of the notch marks 2, 3 and 4. Also, the vertical / horizontal magnification is corrected by reflecting the difference from the vertical / horizontal magnification measured at the time of the above-mentioned first mask as a change in magnification between processes and reflecting it in the driving amount of the XY stage 18 or reticle stage at the time of wafer exposure and the reduction magnification of the projection optical system 13. Then, sequential exposure is performed.
[0026]
In the measurement of the notch mark, not only the X and Y shift components but also the magnification, orthogonality, rotation, shot-related magnification, and rotation of the entire wafer are determined based on the notch mark reference by the determining means in the computer 51 . At this time, if the parameters such as the process magnification for each wafer are stable and constant values, the parameters are determined with the first few sheets without having to remember the measurement values at the time of the first mask for each wafer, The remaining wafer can be exposed by reflecting the determined value at the time of exposure.
[0027]
In TTL + TTR exposure light detection, the reticle and notch mark can be directly measured to detect the relative position between the reticle and the wafer, so that it is not necessary to take into account fluctuations in the baseline between the projection optical system and the microscope in the detection using the Offaxis microscope. The advantages of the exposure light detection system can be utilized. TTL + TTR exposure light detection does not require the use of materials that are not easily affected by heat, as in the case of using an Offaxis microscope, and it is not necessary to frequently perform baseline correction, so that reduction in apparatus cost and improvement in throughput can be achieved. It becomes. Further, since the notch mark is detected, it is not affected by a semiconductor process such as CMP, so that complicated optimization is unnecessary and COO can be improved.
A similar configuration is possible for the Non-TTL Offaxis detection system having the configuration (2) and the TTL + Offaxis detection system having the configuration (3).
[0028]
However, as described above, it has been found that the shape of the notch itself is also deformed due to the influence of the process, and there is a rare case where an offset of the shift component occurs during detection. In order to enable notch measurement that is not affected by the process, the fact that the inventor found that the notch mark is deformed only at the upper part of the mark and the lower part is not easily deformed is used. Therefore, the present invention is characterized in that only the lower portion of the notch mark is detected so as not to be affected by the upper surface. Further, the notch mark carved on the wafer is carved so that the area on the upper side, that is, the front side is smaller than the area on the lower side, that is, the back side.
[0029]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the principle of alignment according to the present invention. The cross section of the wafer 1 has a tapered shape in which the relationship between the upper part (front surface) 62 and the lower part (back surface) 63 is small and the area of the lower part is large. Therefore, the end face 64 of the wafer 1 is not perpendicular to the wafer chuck 21 but is inclined, and the lower surface is always observable when observed from above.
[0030]
A detection system 65 detects the lower part of the notch mark and has an optical depth such that the upper surface 62 and the lower surface 63 cannot be observed simultaneously. Specifically, there are a method of setting the value of 4λFe∧2 representing the optical depth range to a value that is 1/10 or less of the wafer thickness d, and a method of configuring with a confocal microscope. .
[0031]
Hereinafter, for convenience, a method of separating and detecting the lower surface 63 of the wafer 1 from the upper surface 62 will be referred to as separation detection, and a detection system for performing the detection will be referred to as a separation detection system.
[0032]
As described above, since only the upper surface 62 of the notch mark is deformed by the influence of the process, if only the lower surface of the notch mark can be detected separately from the upper surface, it is independent of the influence of the process, that is, a semiconductor such as CMP is formed. A detection system that is not affected by the process can be constructed. In addition, a constant mark called a notch mark can always be observed in this system, which eliminates the need for complex optimization, improves COO, and enables stable and highly accurate alignment. Become.
[0033]
There are (4) TTL + TTR separation detection system (5) Non-TTL Offaxis separation detection system (6) TTL + Offaxis separation detection system and the like for the configuration of the detection system for separating and detecting notch marks with high accuracy. The TTL + Offaxis separation detection system having the configuration (6) is a detection system that passes through the projection optical system (TTL) but does not pass through the reticle (not TTR).
[0034]
The configuration in which the TTL + TTR separation detection system of configuration (4) is applied to the alignment apparatus is basically the same as the configuration of FIG. In the wafer position detection, the positions of a plurality of notch marks formed in the peripheral portion of the wafer are detected by a TTL + TTR exposure light scope. Although the operation of the optical system of FIG. 2 has already been described, the condition of the configuration (4) is that the wavelength λ of the wafer detection system and the NA of the detection system are set to values that can be separated and detected as described above. Another configuration may be a confocal detection system.
[0035]
In this embodiment, since the reticle and the relative position of the reticle and wafer can be detected directly under the three or more notch marks, the fluctuation of the baseline between the projection optical system and the microscope in the detection using the Offaxis microscope is considered. It is possible to take advantage of the TTL + TTR exposure light detection system that is not required.
[0036]
TTL + TTR exposure light detection does not require the use of materials that are not easily affected by heat, as in the case of using an Offaxis microscope, and it is not necessary to frequently perform baseline correction, so that reduction in apparatus cost and improvement in throughput can be achieved. It becomes. In addition, since the notch mark is detected, it is not affected by a semiconductor process such as CMP, so that complicated optimization is unnecessary and COO can be improved.
[0037]
In the non-TTL off-axis separation detection system having the configuration (5), the wavelength of the detection system λ and the detection NA can be separated as described above as in the configuration (4), and the process can be performed by performing confocal detection. An unaffected detection system is achieved.
[0038]
As an application of the configuration (5), in order to obtain the stability of the baseline, it is necessary to have a configuration that is not subject to baseline fluctuations in each wafer. For this reason, two types, a non-TTL Offaxis detection system that performs separation detection and a detection system that has the same optical conditions as the TTL + TTR detection system, are configured. The TTL + TTR detection system is not necessarily a separate detection system. The same notch mark is measured with these two types of detection systems, and the difference between the measured values at this time is taken as an offset. The variation of the offset value corresponds to the variation of the baseline. Next, a notch mark is measured by a TTL + TTR detection system, and exposure is performed in consideration of the offset.
[0039]
Here, the same optical conditions include not only design values such as the detection wavelength, NA, and illumination σ but also the identity of the adjustment state. By setting the same optical condition, the offset value generated in the Non-TTL Offset detection system and the offset value generated in the TTL + TTR detection system when the notch mark is deformed due to the process can be made the same value. .
[0040]
The concept of TIS (Tool Induced Shift) may be used to quantitatively grasp the manufacturing and adjustment state. In the TIS adjustment, an offset (Wafer Induced Shift) generated due to a wafer pattern factor to be measured is separated from an offset TIS generated due to a detection system factor. Measurement is performed in a reference state where the arrangement of patterns to be measured for separation is 0 degrees and two states where the pattern is rotated 180 degrees, that is, the wafer is rotated 180 degrees. The TIS value is determined from the measurement result, and the detection system can be adjusted so as to reduce the TIS value. A proposal using an adjustment method based on TIS was proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 8-112059 and put into practical use. In order to make the two detection systems compatible, it is essential to adjust the TIS value to a certain small value or less.
[0041]
The TTL Offaxis separation detection system of configuration (6) has the advantages of the above two systems that the baseline is more stable and the alignment wavelength need not be exposure light than the non-TTL Offaxis detection system of configuration (5). It is. However, because of the TTL for detecting non-exposure light, it is necessary to correct the aberration of non-exposure light generated in the projection optical system, and it is difficult to achieve a higher NA than the above two systems. Is effective.
[0042]
The above three detection systems from (4) to (6) have their respective characteristics, but all of them can detect the lower part of the notch mark separately and enable stable high-precision alignment that is not affected by the process. .
[0043]
The configuration of the notch mark is not limited to the three marks 2, 3, and 4 as shown in FIG. 1, but it can be expected to improve accuracy by increasing the number. However, for example, when the number of notches is four, the orientation of the wafer in the rotational direction may not be uniquely determined. In that case, a detection system different from that shown in this embodiment may be provided to detect the orientation in the rotational direction.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the alignment method and the exposure apparatus of the present invention can be carried out was cheap boss, a highly accurate positioning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a wafer to which a notch mark according to the present invention is applied. FIG. 2 is a schematic view of the main part of an exposure apparatus equipped with the alignment apparatus of the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram of a reticle mark. [FIG. 5] Detection image of the notch mark 3 [FIG. 6] Detection image of the notch mark 4 [FIG. 7] Explanatory drawing for detecting the lower part of the notch mark of the wafer separately from the upper part [FIG. Mark [Fig. 9] Conventional detection system that detects the position by rotating the notch mark,
[Explanation of symbols]
1 wafer,
2, 3, 4 notch marks,
5 Exposure light source such as excimer laser,
7 Fiber,
8 alignment illumination optical system,
9 Beam splitter,
10 Relay lens,
11 Objective lens,
12 reticles,
13 Reduction projection optical system,
14 Mirror,
15 Electa,
16 CCD camera,
17 Notch mark image formed on CCD camera,
18 XY stage,
19 Reticle mark,
20 Illumination optics,
21 Wafer chuck,
22 θ-Z stage,
23 tilt stage,
25 bar mirror,
26 Laser interferometer,
29 Focus measurement system (projection system),
30 Focus measurement system (detection system),
51 computers,
62 Above the notch mark on the wafer,
63 Below the notch mark on the wafer,
64 wafer end face,
65 Separation detection system
Claims (17)
前記第2物体に予め形成された複数のノッチマークの位置を計測する計測系と、
第1の露光工程における前記計測系による計測結果に基づいて得られた前記複数のノッチマークの位置に関する情報を記憶する記憶手段と、
前記第1の露光工程より後の第2の露光工程における前記計測系による計測結果と前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記第2の露光工程における前記第2物体上のパターンの位置を決定する決定手段と
を有することを特徴とする露光装置。Oite a pattern of a first object in an exposure apparatus that exposes transferred in register to the pattern on the second object,
A measuring system for measuring the position of a plurality of notches marks previously formed on the second object,
Storage means for storing information on the positions of the plurality of notch marks obtained based on the measurement result by the measurement system in the first exposure step;
Based on the measurement result by the measurement system in the second exposure step after the first exposure step and the information stored in the storage means, the pattern on the second object in the second exposure step A determining means for determining the position;
An exposure apparatus comprising:
第1の露光工程において、前記第2物体に予め形成された複数のノッチマークの位置を計測し、該計測結果に基づいて得られた前記複数のノッチマークの位置に関する情報を記憶し、
前記第1の露光工程より後の第2の露光工程において、前記第2物体に予め形成された複数のノッチマークの位置を計測し、該計測結果と前記記憶された情報とに基づいて、前記第2の露光工程における前記第2物体上のパターンの位置を決定する
ことを特徴とする位置合わせ方法。In an alignment method used in an exposure apparatus that aligns a pattern on a first object with a pattern on a second object and performs exposure transfer,
In the first exposure step, the positions of a plurality of notches marks previously formed on the second object is measured, and stores information about the positions of the plurality of notches marks obtained based on the measurement result,
In a second exposure step after the first exposure step, the positions of a plurality of notch marks formed in advance on the second object are measured, and based on the measurement result and the stored information, A positioning method, wherein a position of a pattern on the second object in a second exposure step is determined .
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