JP3841824B2 - 格子−格子干渉型位置合わせ装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本願発明は概して、物体を検出、位置合わせするための位置合わせ装置、センサ、および方法に関する。より詳細には、本願発明はマイクロリソグラフィー用のダイレクトマスク・ウェーハ位置およびマスク透過（ＴＴＭ）位置合わせセンサを使用した、格子−格子干渉型位置合わせ装置に関する。
発明の背景
サブミクロン単位でのリソグラフィーにおいては正確なマスク・ウェーハ間位置合わせ装置ならびに方法が不可欠である。リソグラフィー用パターンは先行するパターンに対して正確に配置（位置合わせ）されなければならない。パターンの位置合わせに使用する特別の手段は“位置合わせマーク”、あるいは特に“マスクマーク”、“ウェーハマーク”と呼ばれることが多い。
パターン間の重ね合わせ精度は最小寸法の５分の１、さらには１０分の１以下であることが望ましい。例えば、０．５ミクロンの線幅の場合、重ね合わせ精度は０．１ミクロン以下であることが必要である。数多くの光学的手法が実用に共されており、その精度も様々である。しかし、いずれの方法も性能に限界があり、リソグラフィー装置としての必要条件を十分に満たしていない。
米国特許４，８４９，９１１「第１と第２の物体を相対的に位置合わせする方法、およびこの方法を実施するための装置」（ウチダ他、１９８９年７月１８日）に、物体の位置合わせ方法の一例が開示されている。ここに開示されている位置合わせ装置においては、マスクとウェーハが回折格子をそれぞれ上部に有している。回折光の強度が検出され、マスクとウェーハの位置合わせ状態が測定される。位置合わせ検出はマスクとウェーハ間のギャップに関係なく行われる。
上記およびその他の位置合わせ装置はそれなりに十分な動作性能を有しているが、位置合わせ装置の精度を改善する必要性はますます高まっている。この必要性は、マスクの最小寸法がより微細化され、それに伴ってウェーハとの位置合わせが重要な問題になるに従い、一層顕著になっている。
発明の要約
本願発明は集積回路製造の際のリソグラフィーによるパターン形成段階において有用である。本願発明は接触方式、近接方式、ならびにマスクとウェーハをリレーレンズまたはそれに準ずる部材で分離する投影方式において用いることができる。本願発明は光学式、Ｘ線リソグラフィー装置のいずれにも使用できる。
本願発明の方法によれば、２つの物体の相対位置を、それぞれの物体に配設された格子パッチから生ずる格子次数間の干渉を用いて検出する方法が提供される。一実施例においては、マイクロリソグラフィー露光装置で使用されるウェーハとマスクの面内位置合わせが約１０ｎｍ＝３σ以下の精度で行われる。
本願発明によれば、マスクパターンとウェーハパターン間に必要とされる位置合わせを行うためのシンプルで正確な手段が提供され、集積回路のリソグラフィによるパターニングにおける２パターン間の正確な重ね合わせ精度を得ることができる。
本願発明の実施例の一つにおいては、コリメートされた電磁放射の入力ビームが１本だけ必要とされ、コリメートされた反射放射の全体強度の変化のみが、マスクとウェーハとの相対面内位置の関数として検出される。位置合わせ情報はこの強度から、フーリエ変換によって位置の関数として求められる。フーリエ変換は電磁放射中の特定の周波数成分の位相を求めるために行う。本願発明では、単一波長のコヒーレント電磁放射、複数の異なった波長を有するコヒーレント電磁放射、または広帯域電磁放射のいずれも用いることができる。
本願発明は４つのハードウェアから成るサブシステムを具備する。それらは、（１）空間的にコヒーレントな単一波長、または複数の異なる波長を有するコリメートされたビーム、または必要に応じて広帯域の電磁放射を送出するための、コリメート光学素子を有した電磁放射光源、（２）コリメート反射電磁放射の強度を検出する検出器、（３）ｘおよびｙ方向の独立直線マスク格子。これらは空間的に別々でも一致していることもできる。異なった周期性方向を持つ２つの格子が重なっている、すなわち上下に接している場合、この状態は”交差格子”と呼ばれる。（４）“碁盤目格子”。つまり、ウェーハの対角線上に配置された交差格子である。ウェーハの格子は重なっており、マスク格子に対して対角線上に配設され、碁盤目の様なパターンを形成する。
ソフトウェアサブシステムに含まれるアルゴリズムにより、ウェーハとマスク格子の相対位置の関数として測定される反射電磁放射強度から、所望の位置情報が求められる。このソフトウェアはフーリエ変換アルゴリズムを有し、それによって前記強度の既知周波数成分の位相と振幅が求められる。その他の全ての周波数成分はセンサの全般的動作に係わる有用な情報を有しており、必要に応じて位置合わせ検出方法に役立たせることができる。
さらに一実施例においては、マスク格子とウェーハ格子が照明源兼検出器により照射される。反射回折電磁放射の所定の周波数成分がその位相と共に検出される。この所定周波数成分の位相から、マスク格子のウェーハ格子に対する相対位置を直接測定することができる。信号処理装置から、ウェーハを保持しているステージに取り付けられたモータに対して位置情報が送られる。モータによりウェーハがマスクに対して位置合わせされる。位置合わせを連続的に行って、スキャニング動作中にマスクとウェーハを相対的位置合わせを維持したまま同時に動かすこともできる。
本願発明の目的は、精度と信頼性の改善された位置合わせ装置を提供することである。
本願発明は、照明光源と検出器が隣接して配設されるという有利な点を有する。
本願発明はまた、その適用プロセスを比較的選ばず、様々なウェーハ表面構成および被膜に対応することができる。
本願発明は、回折電磁放射の所定の周波数成分および位相が検出されるという特徴を有する。
上記およびその他の課題、有利な点、特徴は、以下のより詳細な説明を考慮することにより、一層明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
図１は本願発明による位置合わせセンサの断面図である。
図２は本明細書において用いられる格子次数表記法の略図である。
図３は、２つの平行格子からの主要な回折路を２つ示している。入射コリメートビームはマスク格子の平面に垂直に、すなわちΘ_ＩＮ＝０で入射する。反射ビームはマスク格子の平面に対して垂直にマスクを出射する。
図４は直線マスク格子と碁盤目状ウェーハ格子を示している。マスクマークとウェーハマーク間のギャップは、直接参照位置合わせ信号を生ずる複数の回折を図示するために誇張してある。
図５は、図２に示したと同じ４つの経路をΘ_ｘとΘ_ｙにおいて図示しており、Θ_ｘ，Θ_ｙはそれぞれ、ｘ軸とｙ軸を中心とした回転角の正弦を示している。
図６はレーザダイオードを用いた後方散乱変調を利用した実施例である。
図７は、後方散乱変調の強度の変化によりビート信号の振幅が変化することを図示している。
図８は本願発明の略図である。
好適な実施例の説明
図１に示したのは本願発明による位置合わせセンサの断面図である。位置合わせセンサは安定フレーム１内に組み立てられている。１つあるいは複数の空間的にコヒーレントな放射光が、１つかそれ以上のレーザのような“点光源”から取り出され、単一モード分極保存光学ファイバ２の出力端から出力される。この電磁放射（例えば光）によりコリメーティングレンズ３とアパーチャ４が照射される。
レンズ５と６はテレセントリックリレーレンズを構成し、それによりアパーチャ４がマスクマーク９の中心に投影されるとともに、コリメートされた波面がマスクマーク９の位置に保持される。利便性のために、レンズ５、６は、レンズ５、６とマスクマーク９との間に大きく作業距離ないし逃げ距離を取ることのできるよう望遠レンズとして構成される。パッケージングの利便性を考慮して、レンズ５、６はある一定の角度に配設されたフォールドミラー７を有し、該ミラーにより光学系は、法線上に入射するｘ線放射の光路から外される。照射光はレンズ５、６を通り光線８上を通って出射する。
マスクマーク９とウェーハマーク１０による回折により、放射光の位置合わせ信号部分が光線１１を通って戻る。放射光はレンズ６の反対側を通って戻り、パッケージングフォールドミラー１２により、レンズ５と同じ役目を果たすレンズ１３を通過せられる。レンズ６と１３の両方によりマスクマーク９がアパーチャ１４に結像する。アパーチャ１４は、漂遊放射線を遮断するために、マスクマーク９の像よりもわずかに大きくしてある。検出器（図示しない）をアパーチャ１４に後置することもできる。あるいはまたレンズ１５により、制限アパーチャを有した検出面１６に放射光を向けて、光路１１を通ってマスクマーク９を出射したゼロ次数のコリメート光線に検出放射光を制限することもできる。面１６は光検出器面、または放射光を離れたところに配設された光検出器（図示しない）に送るマルチモードファイバ光学素子１７等の光リレーの表面と一致させることができる。
基本的な格子物理を見直しておくと、位置合わせセンサを理解する際に役立つ。格子とは、少なくとも１次元において周期的に変化する電磁特性（例えば屈折率）を有した物体を指す。例えば、ある格子の屈折率は、格子面がｘ−ｙ平面に平行である時に、すべてのｘの値に対してｎ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ｎ（ｘ＋Ｐ，ｙ，ｚ）の関係を満足するような位置ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）の関数であることができる。より詳細には、表面格子において、格子の“山と谷”がｙ軸に平行であって、周期性がｘ軸方向にあることができる。
格子は周期的な電磁特性を有しているため、電磁放射を照射されると、“格子次数”と呼ばれる複数の透過および反射波を生ずる。図２に典型的な格子次数の表記法を示す。
ｚ軸を基準として測定された格子次数、入射角、放射光の波長、および格子周期間の関係は、格子方程式により定義される。
屈折率の同じある媒体から別の媒体への平面波の反射または透過の場合、格子方程式は、

となり、上式においてλは照明光源の波長、Ｐは格子周期、ｎは格子次数、Θ_ＩＮはｚ軸に対して測定された入射角、そしてΘ_ｎはｎ^ｔｈ格子次数がｚ軸と成す角度である。
格子方程式は、ｘ−ｚ平面−すなわち図２における紙面−に入射面を有した単色平面波に当てはまる。つまり、照明光源からは単一の特定波長が発せられ、その平らな波面がｘ−ｚ平面における特定方向に伝播するのである。一般的に、どんな電磁放射場であっても平面波の重ね合わせによって表せる。
格子方程式によって予測されるのは格子次数角度だけである。どの格子次数であれ、電磁放射の強度あるいは位相が求められるわけではない。実際、格子により“欠測次数”、すなわち格子方程式から得られる１つまたはそれ以上の次数がエネルギを有していないという事態もある。
ｎが０の場合、Θ_ＩＮ＝Θ_０となることから、ｎ＝０が正次数である、すなわち入射角と反射角が等しいということが分かる。図２に示すごとく、ここで用いられる格子次数表記は以下の通りである。すなわち、格子回折により波がより正（または負）のｘ方向へ進行する場合、格子次数は正（または負）であるとする。
それぞれの格子次数は格子の位置に依存する。格子がｘ方向にΔｘだけ移動するとすれば、ｎ次数の位相は「ｎπΔｘ／Ｐだけ変化する。格子次数位相が格子の水平方向位置に依存していることを利用して、位置センサはウェーハのマスクに対する相対位置を検出するのである。ΔｘがＰの整数倍であれば、格子周期性からも予測されるように、位相変化は２πの整数倍となる。
相対位置検出用２次元格子−格子干渉型計
位置合わせセンサの動作を理解するために、このセクションでは単純化された、“２次元”位置合わせセンサについて述べる。“２次元”の実施例でも原理的には動作するが、実際のｘ線露光装置に用いることは難しい。引き続いてのセクションでは位置合わせセンサの“３次元”実施例を説明する。
平行に配設された２つの格子（ウェーハとマスク上にそれぞれ１つ）を考察する。照明は図３に示すごとく、上部より垂直に入射する（Θ_ＩＮ＝０）平面波である。ここでは図３に示したように、回折次数０±１次数に着目して考察を進める。
他の格子次数も０次数反射に寄与するが、それは異なる周波数における２つの格子の相対位置の関数としてである。ここで問題となる周波数、すなわち以下に述べるように０±１次数によって生じる周波数は、スキャン速度と格子周期から簡単に求めることができる。２つの格子の相対位置の関数として測定された反射強度の特定の周波数成分の位相はフーリエ変換によって求める。つまり、これら他の次数を物理的に除去する必要はないのである。
フーリエ変換を有する通常のソフトウェアでは、他の次数の寄与が除去された後に、検出信号がフィルタリングされる。その１つの実施例として、シリコンバレーグループリソグラフィーシステムズ（ＳＶＧＬ）社のマイクロスキャンデジタル信号処理ボードＮｏ．８５９−０７４１を使用することができる。ＳＶＧＬの所在地はコネチカット州ウィルトンである。これによれば他の次数の寄与を物理的に除去する必要が無いため、光学的構成を大幅に簡素化できる。
格子中の多数の溝から物理的に得られる平均化に加えて、フーリエ変換によれば著しい平均化がもたらされる。よって、ウェーハ表面構造のばらつきによる影響を低減できるばかりでなく、センサのＳ／Ｎ比が改善される。
以下に述べる０±１格子次数に対しては、入射波から反射波までの間にウェーハ格子で１回反射し、上部格子を１回透過屈折するように電磁放射が伝播する光路が４つある。
高次の格子次数に係わるより高次次数の光路または多数の反射、透過も起こり得る。しかし、それら高次次数は概して４つの低次次数光路のいずれと比べてみても振幅がかなり小さい。さらに、高次屈折次数による信号への寄与はフーリエ変換によって除外されてしまう。ゼロ次数のみの回折路も寄与するが、これもまたフーリエ変換によって除外されてしまう。
図３に示したように、４つの光路は“１”、“２”と番号付けられた２つの対に分割でき、それらの区別は上側格子屈折が、その上側格子を上に向けて透過する時か、下に向けて透過する時かのいずれにおいて起こるかによってなされる。それぞれの対において、電磁放射はどちらかの格子によって屈折される際に左右いずれかに進行する。
上下の格子の次数から見て、これら４つの光路は以下の通りである。

４つの光路はいずれも同数の透過と反射回数を有する。よって、上下格子の周期が等しいならば、入射方向に沿って戻って行く全体としての反射波に、いずれの光路も等しく寄与することになる格子相反関係により、反射と透過から集積した正味位相は４つの光路のいずれに対しても等しくなければならない。この点は重要である。なぜなら、さもなければ２つの光路対（１Ｌ，１Ｒ）と（２Ｌ，２Ｒ）が必ずしも強め合う結果とならず、補助的ハードウェアおよび／または光学素子を用いてどちらかの対を除去する必要がでてくるからである。上側格子に対して下側格子を距離Δｘだけ移動させると、それぞれの光路の電磁放射の位相も同じだけ変化する。合計反射波の振幅は、４つ全ての光路からの位相係数の合計に、２つの格子の実効正味反射率ｒと完全位置合わせ状態における実効正味反射位相係数e^iΨを乗じたものになる。よって、全体での含信号反射振幅、すなわち上記４つの光路のみからの振幅は以下の通りとなる。

ここで、どの光路がどの位相係数に寄与するかが示されており、
β_G≡2Π/P
反射波の所望周波数成分の強度は振幅の２乗母数で与えられる。よって、所望の周波数における反射強度＝
16r²cos²(β_GΔx)=8r²(1+cos(2β_GΔx)).
この結果から、２つの格子からの反射波の所望周波数における強度が上下格子の相対位置Δｘの関数として変化することが分かり、その周期は、

となる。よって、反射波の強度の所望周波数成分から直接的に、下側格子に対する上側格子の相対位置をＰ／２の１回整数倍以内の精度で求めることができる。反射波の強度変化は異なる光路からの波の位相変化によってもたらされるため、位置合わせセンサはダイレクト格子−格子干渉計として動作する。
すべての次数の寄与を考慮に入れた場合、強度は以下の式で表される。

上式においてη=０，１，．．．Ｎであり、Ｎはセンサにより検出可能な最大空間周波数である。
いずれのアルゴリズムもが解決しなければならない基本的課題は、マスクとウェーハが入れ違いにスキャンされる際にいつΔｘ≡ｘ_ｍａｓｋ−ｘ_{ｗａｆｅｒ}がゼロになるかを、Ｉ（Δｘ）の値を検出することのみによって求めるということである。係数

は合計強度のηβ_G周波数成分の強度である。η=2の項には上記の強度Ｉ（Δｘ）から抽出したい信号を含むη≠2周波数成分はマスクとウェーハの格子回折次数の高次および低次の組み合わせから生ずる。係数Ｅ（Δｘ）は、マスクとウェーハ格子が有限の寸法を有するがために生じる包絡線関数である。格子はパッチ状であり、無限の格子ではない。Ｅ（Δｘ）の値は実質的に、２つの格子パッチ間の部分的な幾何学的重なりにより与えられ、マスクとウェーハ格子の相対位置が（Δｘ）であるる。このことから、格子パッチの寸法は格子周期よりもはるかに大きいため、Ｅ（Δｘ）はＩ（Δｘ）から抽出される信号のηβ_G周波数に比較して緩やかに変化する関数であることが分かる。また、Ｅ（Δｘ）は実数であり、Δｘ＝０の周りに対称である。これらの事実を以下のフーリエ変換アルゴリズムに用いてＩ（Δｘ）データからちょうどη＝２の寄与を抽出し、それによってΔｘ＝０となる時点が求められる。この概念はいくつかの異なった方法により実現できる。ここでは１つの方法についてのみ述べる。
一般性を失うことなく、ウェーハがマスク越しにスキャンされ、強度がｘ_{ｗａｆｅｒ}の関数として測定されると仮定する。この場合、Δｘ＝０という条件はｘ_ｍａｓｋの値を求めることに帰着する。これが求められたなら、ｘ_{ｗａｆｅｒ}＝ｘ_ｍａｓｋ、すなわちΔｘ＝ｘ_ｍａｓｋ−ｘ_{ｗａｆｅｒ}＝０を満たすようにウェーハを配置することができる。
Δｘ＝ｘ_ｍａｓｋ−ｘ_{ｗａｆｅｒ}から

Ｅ（Δｘ）は実対称関数であるから、上式は

と書くことができ、Ｅ（β）はβの実対称関数である。以下

を代入することにより

となる。ｘ_{ｗａｆｅｒ}に関してＩ（ｘ_ｍａｓｋ−ｘ_{ｗａｆｅｒ}）を所望の周波数２β_Ｇでフーリエ変換すれば、Ｉ（Δｘ）の信号成分＝Ｉ（２β_Ｇ）＝

が得られる。上記したように包絡線Ｅ（Δｘ）は実空間において非常に広く、フーリエ空間においてはη＝０を除いてＥ（ηβ_Ｇ）＝０となり、よって、

であり、したがって

となる。ここでＩｍとＲｅはそれぞれ変数の虚部と実部である。
実際にはデータは連続的でなく標本抽出されるので、ここでの場合上述した式における積分は全て加法に置き換えられる。
また、以下に述べるごとく、マスクとウェーハ上の特定のプロセス層に対するセンサの動作依存性を低減してセンサ性能を向上させるために、４つの別々の光源からの４つのそれぞれ独立した波長が用いられる。それぞれの波長の強度が個別に検出、記録、分析される。すべての波長に対して同様のフーリエ変換計算ないしアルゴリズムを用い、結果を平均化することによりマスクとウェーハの最適化位置合わせが見積もられる。
このようにして相対位置を検出することの重要な利点は、すべての“動作”が上下の格子間で生じるといることである。補助的な固定基準を外部に必要としないのである。照明光源は単一のコリメートされたレーザビームが使用できる。コリメート反射波の合計強度は単独の検出器により検出される。つまり、検出器は言わば“光バケツ”として作動する。これにより、他の位置合わせ装置に較べて位置合わせ装置の光学素子部を大幅に簡素化できる。
検出信号はレーザビームのｘまたはｙ位置に依存しない。よって、照明光源と検出器の位置は本願の方法においてはさほど重要でない。１つの実施例においては、格子は５０ｘ５０波長程度の正方形パッチで構成される。投射される電磁ビームは格子パッチと概ね同じ寸法であればよい。
本願発明の位置合わせセンサは平面波を使用するため、上側格子と下側格子間の距離に左右されない（ただし、格子パッチの有限寸法に起因する幾何学的限度まで）。よって、マスク格子とウェーハ格子の間の“ギャップ”が異なる毎に位置合わせセンサを調節する必要が無い。上記限度内であればギャップ間隔とは無関係に作動する。実質上、唯一の必要条件は照明をマスクに対して垂直に入射するよう維持することである。しかし、必要に応じて上側格子からの正反射を用いて干渉を利用することにより照明角度を検出、補正できる。
相対位置検出用３次元格子−格子干渉計
２次元における実施例は原理的には作動するのであるが、実際のｘ線または光学式露光装置に用いるのには、２つの理由から困難が伴う。第一に、２次元の実施例の場合、位置合わせをする度にｘ線または光学露光の光路内に出し入れする必要がある。第二に、上記したゼロ次数のみの屈折路の位相がギャップに依存する。２次元実施例では、これにより信号がギャップに依存してしまい、望ましくない。いずれの“問題”も、レーザ照明を図３の紙面から傾け、直線の下側格子を図４に示した碁盤目パターンと取り替えることにより解決できる。
碁盤目パターンは２つの格子を重ね合わせたものと考えることができ、その場合、ｘ軸に対して一方がある角度で正の対角線上に方向つけられ、他方は同じ角度で負の対角線上に方向付けられている。この２つの格子の重ね合わせからｘとｙ両方向における格子次数の組み合わせが生ずる。０°と９０°の方向付けでなく正負の対角線方向を用いる理由は、正負の対角線方向を用いたほうが、位置合わせセンサに用いるｘ−ｙ格子次数におけるエネルギを最大化することができるからである。碁盤目のｘ軸方向周期は他方の格子と同じである。しかし、１つの実施例においてはｙ軸方向の碁盤目周期は、ｙ方向の−１格子屈折次数がほとんど、または完全に入射方向に沿って戻るように設定される。
図５に位置合わせセンサの３次元実施例における４つの光路１Ｌ，１Ｒ，２Ｌ，２Ｒを示し、それぞれｘ軸とｙ軸を中心とする回転角の正弦であるΘ_ｘとΘ_ｙで表されている。角度はｚ軸から測定される。ｙ方向における格子屈折の作用によりΘ_ｘ，ｉｎ＞０からΘ_{ｘ，ｏｕｔ}＜０となり、その結果放射光はほぼ入射光路をたどって戻る。絶対値Θ_{ｘ，ｏｕｔ}＝Θ_ｘ，ｉｎに対しては、電磁放射は直接入射方向に沿って戻る。しかし、図５に示すごとく、ｘ線露光装置は、Θ_{ｘ，ｏｕｔ}の絶対値がΘ_ｘ，ｉｎに近接するが完全に等しくはないように名目上設定される。
場合によっては、照明をｙ−ｚ平面に対してどの角度から入射させることもできる。本願発明の位置合わせ装置はｙ−ｚ平面におけるどのような角度でも作動するが、それは所定の周波数成分を検出するためのフーリエ変換アルゴリズムによって常に合計検出強度から、検出強度における同じ含信号部分が取り出されるからである。角度の変化に伴ってセンサによって収集、検出される屈折次数の組み合わせが変わる。しかし、フーリエ変換アルゴリズムによって所定の周波数成分が選択されることで、合計信号から常に同じ周波数成分が抽出されるので、どのような付加的次数の組み合わせが得られ検出されるかは関係ない。唯一の制限要素はノイズとダイナミックレンジである。ノイズが増加し、および／または検出器のダイナミックレンジが低減されると、最終的な位置合わせ値の精度が低下する。しかし、電磁照明はリトロー角の約６度以内に入射させるのが好ましい。
図１に関して、角受光レンズ６を増大して光線８と１１間の増大された角度を許容できるようにする必要がある。または、２つのレンズを用いて１方を照明用に、他方を集光用にすることもできる。通常の照明を組み合わされたｘ−ｙ格子とともに用いてｘとｙ位置両方の情報を得ることもできる。これには別々のあるいは独立したｘおよびｙスキャンが必要となる。
位置合わせセンサの全般的動作のプロセス依存性をより低減するために、本願発明の１実施例においては４つのダイオードレーザが用いられ、約７００から８５０ｎｍの範囲内において所定の増分を有する個別の波長が投射される。この波長密度は、現在使用されている標準ウェーハ構造におけるプロセス依存性という点で広帯域照明と概略同等であり、いずれの本来の広帯域光源よりも高い明るさを有する。
一実施例において、ウェーハに碁盤目格子を使用することにより、入力および出力電磁ビームをｙ方向リトロー角（すなわち−１格子次数が入射ビームに直接沿って戻るような入射角）上ないしはその付近で、マスク格子上の格子線に平行な方向（すなわちｙ方向）と、垂直入射角上ないしはその付近においてマスク上の格子線に垂直な方向（つまりｘ方向）に位置させることができる。
入射および検出反射電磁放射はマスク格子を通ってウェーハへと進み、碁盤目格子で屈折された後、先ほどと同じマスク格子をを通過して戻る。上記したように、複数の屈折路は、相対位置に関する同様の情報を検出反射電磁放射に寄与する。必要に応じてこれを位置合わせの補助に用いることができる。
本願発明の一実施例においてはコリメートされた電磁放射ビームを使用でき、ｙ方向におけるある一定の角度をもって動作し、マスクとウェーハからのゼロ次数のみの屈折路が妨げられることがないため、反射電磁放射の強度はｘ軸方向での相対平面内の動きのみに左右され、平面外、すなわちｚ軸、またはマスク格子とウェーハ格子間の“ギャップ”位置変化には影響されない。以下に述べる位置センサの実施例ではマスクとウェーハの相対ｘ位置が検出される。第２の位置合わせセンサ（第１の位置合わせセンサと同じ）は第１の位置合わせセンサに対して９０°の角度で配設して相対ｙ位置を検出できる。しかし、単一のマスクとウェーハ格子からの反射電磁放射の位相も検出すれば、１つの位置合わせセンサでｘとｙ位置を同時に測定できる。１実施例において本願発明はｙ−ｚ平面内のリトロー角上またはその付近で動作するため、光学素子、レンズおよび機械的マウント等の位置合わせ装置の物理的部材をすべて近接させて電磁放射（例えばｘ線）露光路の外に置くことができる。よって、所望とあれば位置合わせセンサをウェーハ露光期間中に動作させることができる。
本願発明においてはマスクとウェーハの相対位置のみが検出されコリメートされた電磁放射を使用するので、光源と検出器をマスクまたはウェーハに対して正確に位置合わせする必要がない点で、他の位置合わせ装置と一線を画している。
本願発明はマスク／ウェーハ平面上の法線に対する幅広い角度にわたって動作できる。一つの好適な実施例においては、入射および反射放射はｙ−ｚ平面内のリトロー角上またはその付近および垂直入射上またはその付近にあり、ｘ−ｚ平面内で戻る。
検出強度のフーリエ変換はマスクとウェーハ格子の相対ｘ位置の関数である。それは、反射電磁放射強度におけるＰ／２の空間周期を有する特定の周波数成分の位相を求めるのに使われる。よって、補助的光学素子を用いて全体反射強度に寄与する他の格子次数を物理的に除去する必要がない。
フーリエ変換により、位置合わせ精度を、マスク格子越しのウェーハのスキャン中に検出されるゼロ以外の強度標本の数の平方根程度まで改善できる。
上記した特定の実施例は近接転写用である。同様の実施例は投影光学式においても動作する。ｙ−ｚ平面内のリトロー角で動作させる場合は、マスクとウェーハ間の電磁放射路に含まれる通常の投影光学素子を構成するもの以外には補助的光学素子は必要としない。
本願発明はウェーハをｘスキャンすることにより位置合わせが分かる。位置合わせ信号は一方のマークの他方のマークに対する相対位置の関数として記録される。概して、静止しているマスクに対してウェーハが一定の速度でｘ方向にスキャンされる。スキャンには少なくとも何らかの位置合わせ信号が中央ないし位置合わせの達成された位置のいづれかの側に含まれるべきである。スキャン範囲は一回スキャンまたはディザ等、小さくてよい。しかし、概してスキャンは名目上、位置合わせの達成された位置に中心が合わされている。そして、スキャン範囲はわずかに２つのマークのｘ幅を合わせたものより大きくされており、位置合わせ信号のｘ長全部を得られるようにされている。この大きなスキャンによりマークの平均化が好適になされる。
整合フィルタやフーリエ変換に基づく位相の測定等のソフトウェアアルゴリズムにより位置合わせ信号の対称の中心を求めることができる。こうして求められた中心はマーク中心が一致すなわち“位置が合った”場所の見積もり値である。構成によってはｘ方向とｙ方向をスキャンして、ある一つの場所におけるｘ位置とｙ位置の両方を求めることができる。
本願発明は明確な利点を有する。すなわち本願は、（１）静状態での目視動作、（２）２つの電磁ビームの強度および／または位相バランス調整、（３）２つのマーク対バランス調整、および（４）２つの同時に干渉する電磁放射周波数、を必要としない。例えば、本願発明においては、ウェーハおよびマスクプロセスに対して１つあるいは複数の独立して作動する個別波長を用いることができ、または広帯域光源を使用することもできる。１つの実施例においては、本願発明はマークを１セット用いることができる。この場合、マスクマークは交差格子であり、反射位相が検出される。ウェーハマークは、碁盤目格子上に繰り返される、小さな電磁散乱発生パターンを有する。
センサハードウェアをリソグラフィー照明光路の外側に配設して、センサを位置合わせと露光の度に動かさなくても済むようにできる。さらに、本願発明によれば、位置合わせセンサハードウェアの正確な位置とは関係なく、直接的にマスクとウェーハ間の位置合わせ情報が得られる。この特徴は“軸上”位置合わせ装置において有用である。さらに、位置センサは外部参照マークを利用して構成すれば、間接的ないし転送センサとして機能できる。そのようなセンサは“軸外”位置合わせ装置において有用である。本願発明の方法は、他の平面ないしはそれに近いパターンの登録作業にもまた使用可能である。
基本的な動作を以下に説明する。始めに、以下の説明では、光学式とｘ線リソグラフィ近接転写の両方に適用可能である本願発明の実施について説明する。本願発明の方法は、マスクとウェーハ間にレンズまたはそれに相当するリレーを用いることにより、投影リソグラフィにも応用できる。
図４にマスクマークとウェーハマークを図示する。両者間の拡張されたギャップに、直接参照位置合わせ信号を発生する複数の屈折が示されている。ｘ−ｙ−ｚ座標軸はマスク上端のマークに対して参照されている。
マスク位置合わせマークは電磁放射のコリメートビーム（平面波）によって“投光照明”される。図１に関連して説明したように、好適な照明光源は１つかそれ以上の単一空間モードレーザ、例えばヘリウムネオンレーザまたは可視ないし赤外発光ダイオードレーザである。平面波はその波長と伝播方向に特徴を有する。伝播方向は光線により示されている。
図１に記載したセンサ集光光学素子により反射電磁放射が分離され光検出器へと向けられる。図１に記載したように、適当な光検出器としては通常のシリコン検出器またはホトダイオードがある。この電磁放射により位置合わせ信号が搬送される。
ウェーハマークとマスクマークパターンは、これら４つの“光線”が、光検出器に到達するエネルギー路の主要部を構成するように設計される。他の付加的光線も、マスクとウェーハ間での付加的反射の後に光検出器に到達する。これらの光線は位置合わせセンサの作動に影響しない。
正弦波の光検出器信号には、マスクとウェーハ格子の重なり合い面により発生した対称包絡線が乗ぜられる。対称の中心はｘ＝０におけるｘ中心線に沿っている。この包絡線の形はマークパターンとギャップの関数である。
典型的な商用リソグラフィ装置では中間ウェーハ位置合わせが行われる。これにより、大まかな位置がＰ／２以下の距離までの精度で決められる。さらに、信号包絡線は適当な周波数情報を有し、それにより、別個の中間位置合わせ手段が無い場合には、正しい中心サイクルが特定される。
対称位置合わせマークパターンと、複数屈折過程−マスクを通過し、ウェーハで反射され、マスクを再度通過−により直接的な基準が得られる。位置合わせ信号はマスクマークとウェーハマークのｘ中心線との間の面内Ｘ分離の関数である。
典型的には、３つの適当に配置されたマスクマークとウェーハマーク対により３つの面内位置合わせパラメータｘ，ｙ，および面内回転が測定され、マスクとウェーハを位置合わせするための（小さな回転角用）情報が得られる。典型的には３つのセンサが用意され、それぞれ１つずつマスクマークに対応する。マスクマークとウェーハマークは同時に一致する必要はない。マークを追加してさらに多くの位置合わせパラメータまたは自由度を測定することもできる。マスクマークとウェーハマークの数は同じでなくてもよい。これは直接的位置合わせ法であるので、位置合わせセンサの位置はさほど重要でなく、センサをマークからマークへと動かすこともできる。
コリメートされた空間的にコヒーレントな電磁放射によりマスクマークが照射される。照射はマーク領域上では名目上均一であり、周囲のマスクフレームまでに制限されている。４つの波長を用いることにより、マーク屈折の消光を防ぎ、ウェーハマーク上にレジストが非対称に流れるのを是正する機会が得られる。照明光源を４つの単一波長と基本空間モード連続波ダイオードレーザで構成すると、良好な結果が得られる。電磁放射は１本の極性保持シングルモードファイバ光学素子により送ることができる。照明極性はｙ軸の周りに対称でなければならない。
反射信号電磁放射は碁盤目状のｙ周期屈折によって色度的に分散される。照明を色度的にあらかじめｙ方向において調節しておき、反射電磁放射内のすべての波長が共線的またはその他の所望のｙ方向にあるようにすることができる。
光検出器は反射電磁ビームの強度を検出する。光検出器は検出レンズ１５の結像面にある瞳絞り１６による狭い検出角を有する。
電磁放射はマルチモードファイバ１７を介して４つの検出器に送られる。通常の波長フィルタリングによって４つの波長がそれぞれの検出器に分離される。
マスクとウェーハの散乱光は視野絞りと瞳絞りによって遮断される。それ以上の散乱はウェーハスキャンと共働する信号処理によって遮断される。
本願発明においては、位置合わせマークを５〜５０μｍの範囲のギャップ内で用いると、好適な結果が予想される。マスクマークとウェーハマーク格子のｘ周期は同じでなければならない。それらにはまた十分な大きさを持たせ、反対の次数の屈折波が、マスクとウェーハから戻った際に重なり合うようにしなければならない。マスクマークとウェーハマークの相対寸法の選択は幅広くできる。２つのマークのうちどちらが長くても狭くてもよい。ウェーハスキャンの最中はその他のパターンが照射されてはならない。センサ装置は様々なマスクマークとウェーハマークとともに動作可能である。マークは特定のプロセスレベルやマスク・ウェーハ間ギャップに対してより優れた性能を持つように設計可能である。
それぞれの位置合わせマークは対称中心を有する。２つの対称中心が一致するとき、ウェーハとマスクの位置が合う。最も一般的なケースでは、位置合わせアルゴリズムによってこの位置の見積もりが得られる。一実施例において、位置合わせアルゴリズムはＳＶＧリソグラフィシステムズ社（ＳＶＧＬ）のマイクロスキャンデジタル信号処理ボートＮｏ．８５９−０７４１を使用して実現できる。ＳＶＧＬはコネチカット州ウィルトンに所在地を有する。
図８に本願発明の一般的な実施例を示す。ウェーハ回折格子１０９を上部に有するウェーハ１００が照明光源兼検出器１１６により照射される。照明光源兼検出器１１６からの電磁放射は少量の正オフセット角１２８−好適にはリトロー角１２６から約１０度以内−でウェーハ回折格子に入射する。リトロー角１２６はｚ軸１２４から測定できる。マスク１００の下にはウェーハ回折格子１１０を上部に有するウェーハ１１２がある。すでに詳述したように、照明光源からの電磁放射はマスク格子１０９によって回折され、ふたたびウェーハ回折格子１１０により回折され、そして再びマスク回折格子１０９により回折されて、出力電磁放射１３４となって出射する。出力電磁放射１３４は照明光源兼検出器１１６の検出器部で集光される。出力電磁放射１３４はわずかな負のオフセット角１３０−好適にはリトロー角１２６から約１０度以内−で集光される。照明光源兼検出器１１６は周波数成分抽出装置ないし手段１１８に結合されている。周波数成分抽出装置ないし手段１１８により、照明光源兼検出器１１６の検出器部で集光された出力電磁放射１３４から生成された信号内から抽出するための所定の周波数成分が選択される。所定周波数成分の抽出または検出は様々な公知の手段または方法で行え、例えばフーリエ変換、フィルタリング、またはその類がある。全体強度内の含信号部分が正確に抽出できれば、手段や方法は問わない。一例として、上記したような、所望ないし選択された所定の信号周波数２βＧにおいてｘ_{ｗａｆｅｒ}に対してＩ（ｘ_ｍａｓｋ−ｘ_{ｗａｆｅｒ}）をフーリエ変換する方法がある。ここに記載したタイプのほとんどすべての格子の場合、所定の周波数成分は２β_Ｇであり、それは定義上、格子の空間周期Ｐの関数である。所望または選択された所定の信号周波数は、全体強度のうちで最大のＳ／Ｎ比を有する、照明光源兼検出器１１６のセンサ部分で検出された回折次数に主に起因する、周波数成分である。これは基本周波数であることが多い。電磁放射を代表する信号の所望または選択された周波数成分が求められたなら、位相検出器または手段２１０により位相を求める。選択された周波数成分の位相からは、マスク１００とウェーハ１１０の位置合わせに関する情報が得られる。これからマスクとウェーハ格子１０９、１１０の相対位置が、信号処理装置または手段により計算されないし求められ、マスク１００とウェーハ１１０の正確な位置合わせに必要な情報が得られる。信号処理装置ないし手段は例えばコンピュータ等の、すでに説明した公式や数学的手法に従って信号処理または計算を行える適当な装置であればよい。信号処理装置ないし手段の出力は、ウェーハ１１０を移動させるためのモータ１２２に結合されている。収集された電磁放射信号から所定の周波数成分を抽出することにより、位置合わせ装置全体が簡素化され、Ｓ／Ｎ比の大きな信号の所定周波数成分を選択することで精度が改善されている。
ダイオードレーザによる後方散乱変調リトロー実施例
本願発明のさらに別の実施例において、ｙ−ｚ平面内での照射コリメートビームの入射角がｙ方向での碁盤目格子のリトロー角に完全に一致する場合、反射コリメートビームは入射ビームに一致し、共線的である。この場合、照射ダイオードレーザに対して光学的フィードバックを与えるという、非常に強力な手法が可能となる。
マスク／ウェーハ格子干渉を後方散乱変調なしに使用でき、後方散乱変調をマスク／ウェーハ格子以外の光学的方法に用いることができる。
レーザダイオードの後方散乱変調
レーザダイオードの正面にレーザダイオードからの電磁放射がコヒーレントに“後方散乱”すると、レーザダイオードの出力強度が変化する。レーザダイオード周波数（または波長）を、ダイオードへの駆動電流をゆっくりと傾斜（ｒａｍｐ）して周期的に揺する（ｃｈｉｒｐ）、すなわち掃引ないし変化させると、後方散乱電磁放射が出力電磁放射と干渉して、出力レーザダイオード強度が“ビート”周波数変調される。この変調の振幅は反射または後方散乱電磁放射の強度に比例する。例えば上記のマスク／ウェーハ格子装置においてウェーハからの反射強度をウェーハ位置に従って変化させれば、ビート周波数信号を利用してウェーハ位置を測定できる。後方散乱変調の一般的な構成を図６に示す。
後方散乱変調の一般的特性
後方散乱変調の一般的特性を以下に考察する。先ず、後方散乱強度は、数ミリワット程度であるレーザダイオード出力の約５％を超えてはならない。さもなければ、レーザダイオードが制御不能な程に発振してしまう。次に、後方散乱パワーは１０ピコワット程度で、検出可能な信号が得られる。レーザ周波数の変動は駆動電流１ミリアンペア当たり数ＧＨｚ程度、すなわちΔｆ／ΔＩ＝３ＧＨｚ／ｍＡｍｐである。
三角は駆動電流変調により固定ビート周波数が得られる。よって、同期復調法を用いてノイズと不要な信号をフィルタすることができる。ビート周波数は、

から直接与えられる。ここでｆ（ｔ）はｔ時点におけるレーザ周波数であり、Ｉは駆動電流である。駆動電流の三角波変調に対してはΔＩ／Δｔは一定であり、ビート周波数は

から与えられる。ここで、電磁放射の往復時間Δｔ＝２Ｌ／ｃが用いいられており、ｃは電磁放射の速度であり、Ｌはレーザダイオードからウェーハまでの距離である。レーザダイオードとウェーハの間隔が〜１メートルで、駆動電流が〜１ｋＨｚの周波数において〜１ミリアンペアで変調されるなら、ビート周波数は数１０ｋＨｚのオーダーとなる。三角波の振幅または周波数のいずれかを増加させれば、ビート周波数が増加する。また、Ｌがｆｂｅａｔに依存しているため、周波数フィルタを用いてウェーハからの後方散乱のみを選択できる。
後方散乱の強度変化によりビート信号の振幅が変化する。よって、ビート信号が搬送波としての役割を果たし、目標すなわちマスクとウェーハの位置に関する情報が搬送波ビート信号の振幅にエンコードされる。これを図７に示す。
ダイオードレーザは典型的には検出器と共に“トランジスタ容器”内に配設され、さらにはファイバ光学素子のピグテール導線が含まれる場合もある。これにより後方散乱変調を利用した実施例のパッケージングが容易になる。
ダイオードの正面の動作領域は数ミクロン程度の寸法であるため、後方散乱変調は検出端において“共焦点”である。ダイオードの前面において焦点のずれた散乱は後方散乱変調にほとんど寄与しない。
ダイオードの出力は実質的にダイオード動作層に平行な電解に対して直線的に分極している。よって、分極感応型光学素子を用いて、マスク／ウェーハから以外の後方散乱からダイオードを分離することができる。
ダイオードレーザは一般的に安価で信頼性が高い。寿命は１０の４乗〜５乗時間のオーダーである。利用可能な波長は大体６００〜９００ｎｍの範囲である。本願発明によればマイクロリソグラフィにおけるマスクとウェーハの位置合わせ精度が改善され、ウェーハ形状や被膜といった様々なプロセス変数が許容される。つけ加えれば、好適な実施例を図示、説明したが、本願発明の精神、範囲から逸脱することなく様々な変形が可能であることは、当業者には明らかである。

Claims (18)

1. 水平面におけるマスクとウェーハとの位置合わせを決定するための格子−格子干渉型位置合わせ装置であって、
   該装置は、
   マスク上に配設された第１の回折格子と、
   ウェーハ上に配設された第２の碁盤目状の回折格子と、
   ４つの異なる波長の電磁放射を前記第１回折格子に供給する照明光源と、
   前記のマスク上に配設された第１回折格子と前記のウェーハ上に配設された第２碁盤目状回折格子とにより回折された電磁放射を集光するよう配設された電磁放射強度検出器と、
   前記電磁放射強度検出器からの信号の所定周波数成分を抽出する、前記電磁放射強度検出器に結合された周波数抽出手段と、
   前記所定周波数成分の位相を求める、前記抽出手段に結合された位相検出手段と、
   マスクとウェーハの位置合わせを決定する、前記位相検出手段に結合された処理手段と、
   第１回折格子と第２碁盤目状格子を相対的に移動させてマスクとウェーハの位置合わせを行う、前記処理手段に結合されたモータ手段とを有することを特徴とする、
   水平面におけるマスクとウェーハとの位置合わせを決定するための格子−格子干渉型位置合わせ装置。
2. 前記照明光源はレーザである、
   請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
3. 前記第１回折格子は直線パターン格子である、
   請求項２記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
4. 前記の第１回折格子と第２碁盤状回折格子とは、少なくとも一方向に同じ空間周期を有する、
   請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
5. 前記所定周波数成分は、
   ４π／Ｐ
   と定義され、ここでＰは格子の空間周期である、
   請求項４記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
6. 前記所定周波数成分は、基本周波数である、
   請求項４記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
7. 前記の４つの異なる波長は、波長毎に実質的に均等に分割されている、
   請求項１に記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
8. 前記電磁放射強度検出器によって、電磁放射がリトロー角の１０度以内において集光される、
   請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
9. 前記電磁放射強度検出器により、リトロー角と一致した電磁放射が集光される、
   請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
10. 前記抽出手段はフーリエ変換を行う手段を含む、
    請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
11. 前記抽出手段は整合フィルタを有する、
    請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
12. 前記照明光源と前記電磁放射強度検出器とは、マスク面に対して垂直な面の同じ側に配設されている、
    請求項１記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
13. 水平面にてマスクとウェーハとを位置合わせする方法において、以下のステップ、すなわち、
    第１の回折格子を上部に有したマスクを、第２の碁盤目状の回折格子を上部に有したウェーハの上に配設するステップと、
    ４つの波長の電磁放射を有する照明光源によって前記第１回折格子に電磁放射を照射するステップと、
    第１回折格子と第２碁盤目状回折格子とから回折された電磁放射を検出するステップと、
    第１回折格子と第２碁盤目状回折格子とから回折された電磁放射を検出する前記ステップによって得られた信号の所定周波数成分を抽出するステップと、
    当該所定周波数成分の位相を決定するステップと、
    当該所定周波数成分の位相に基づいてマスクとウェーハとの位置合わせを計算するステップと、
    マスクとウェーハとの位置を合わせるステップとを有することを特徴とする、
    水平面にてマスクとウェーハとを位置合わせを行う方法。
14. 前記の所定周波数成分を抽出するステップには、信号のフーリエ変換を行うステップが含まれる、
    請求項１３記載のマスクとウェーハの位置合わせ方法。
15. 前記の所定周波数成分を抽出するステップには、信号に対して整合フィルタを用いるステップが含まれる、
    請求項１３記載のマスクとウェーハの位置合わせ方法。
16. 水平面におけるマスクとウェーハとの位置合わせを決定するための格子−格子干渉型位置合わせ装置であって、
    マスク上に配設された第１の回折格子と、
    ウェーハ上に配設された第２の碁盤目状回折格子と、
    ４つの異なる波長の電磁放射を前記のマスクの第１回折格子に入射させ、かつ第１回折格子と第２碁盤目状回折格子とから後方散乱を受光するよう配設されたレーザダイオード照明光源と、
    当該レーザダイオードの所定周波数を変化させる、前記レーザダイオードに結合された駆動手段と、
    前記レーザダイオードから放射された電磁放射ならびに前記第１回折格子および第２碁盤目状回折格子からの後方散乱を集光するよう配設された電磁放射強度検出器とを有しており、ここで電磁放射の干渉によって振幅を有するビート信号が生し、さらに、
    該ビート信号からマスクとウェーハの位置合わせを決定する、前記電磁放射強度検出器に結合された信号処理手段と、
    第１回折格子と第２碁盤目状格子とを相対的に移動させてマスクとウェーハの位置合わせを決定する、前記信号処理手段に結合されたモータ手段とを有することを特徴とする、
    格子−格子干渉型位置合わせ装置。
17. 前記駆動手段によって、前記レーザダイオード照明光源に傾斜駆動電流が供給される、
    請求項１６記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。
18. 前記傾斜駆動電流は三角波である、
    請求項１７記載の格子−格子干渉型位置合わせ装置。

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