JPH01157525A - Ｘ線露光装置の位置合わせ光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＸ線露光装置の位置合わせ光学系の配置に関す
る。

〔従来の技術〕

ＩＣの集積度が向上するにつれ、ＩＣの線巾は細（なり
サブミクロンの線巾の露光の必要性から解像力の高いＸ
線露光技術が注目されている。Ｘ線露光においては、サ
ブミクロンの線の重ね合わせの必要がある為アライメン
ト精度は線巾の数分の１から１７１０程度が必要とされ
ている。アライメント精度の向上には、高精度（高分解
）なマーク検出技術の達成が必須である。

マーク検出には目視によるものと、光電的によるものが
ある。

目視によるものは対象とする重ね合わせ精度が極めてき
びしいため精度向上の為にＮ、Ａ、　（開口数）が大き
くレンズ直径が大きい対物レンズが必要となる。しかし
Ｎ、Ａ、　（開口数）を大きくしても、目視によるアラ
イメントには限界があり、処理速度もオートに比べ遅く
、さらに対物レンズ径が大きい為レンズ配置に制限があ
り、数チャンネル（マスク周辺の数ケ所）のアライメン
ト系によってマスクとウェハをアライメントする構成の
場合、小チップに対応して、対物レンズ同志を近づける
ことが不可能となり、アライメントできるチップの大き
さを制限することになっていた。すなわち、先端にマス
ク面と垂直な光軸を有する対物レンズが位置するような
アライメント系を使う場合、対物レンズの径によって露
光用のＸ線がさえぎられるので、マスクのデバイスパタ
ーン領域の極めて近くにマークを設けたときは、アライ
メント動作の後対物レンズを退避させてから露光動作に
移る必要がある。このため無駄な時間を要し、かつアラ
イメント後の露光中はマークの検出信号に基づいたマス
クとウェハとの位置合わせサーボが不可能となり、位置
合わせ精度を劣化させていた。

また、このようなマークの検出信号を得るための光電（
オート）方式のアライメント系として、例えば二重回折
格子法のように簡単な光学系を採用することも考えられ
ている。この二重回折格子法はマスク上の回折格子マー
クとウェハ上の回折格子マークとにコヒーレント光を照
射し、各格子マークからの回折光を相互に干渉させて、
マスクとウェハの位置ずれに応じた光電的な検出信号を
得るものである。この方式は、格子マークの格子ピッチ
の範囲内で極めて高精度なマーク検出を可能とし、今後
のアライメント技術の主流と考えられている。　　　　
“ 〔発明が解決しようとする問題点〕 例えば二重回折格子法を採用する場合、アライメントマ
ークは回折格子となり、露光動作中もマーク検出を行な
い、しかもマークの更新が出来ることが望ましい。そこ
でアライメント系の対物光学系（レンズ、ミラー等）は
、マスク面から比較的大きく離して配置することが考え
られる。これは対物光学系のワーキングデイスタンス（
作動距離）を大きくとることを意味し、これにより発散
光源のＸ線源を用いた場合、Ｘ線が光学系によってケラ
レな（なるためである。またオートアライメント時にマ
ーク検出がうまくいかないとエラーとなり動作等が停止
してしまうので、何らかの方法でマニュアルアシストが
必要となる。そこで目視系によって回折格子又は専用の
マークを観察することが考えられる。このため従来のア
ライメント系のようにレーザビーム等を用いたアライメ
ント系と目視系とで対物光学系を兼用すれば、オートと
マニュアルが簡単に実現できる。

しかしながら、二重回折格子法では、露光中もマーク検
出を可能とするために対物光学系のワーキング・デイス
タンスを大きくすることが必要とされ、一方目視用の対
物光学系は高倍率になり比較的大きなＮ、Ａ、　（開口
数）が必要であるためにワーキング・デイスタンスが小
さくなるといった相反する問題が生じる。このためオー
ト系と目視系を同一の対物光学系を介して組むとＸ線の
ケラレの問題からアライメントマーク位置を露光すべき
デバイスパターン領域に近づけられないという不具合も
生じていた。よって目視系とオート系の対物覚学系を兼
用することは難かしい。

また、光学系のワーキング・デイスタンスをとる為、必
然的にＸ線ｔＸ（Ｘ線取出し部）をマスクに近づけるこ
とが出来ず、Ｘ線の減衰及び発散光源使用時のＸ線の広
がりによりウェハ面へ達するＸ線量が弱（ウェハ処理枚
数（スルーブツト）向上のネックになっていた。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明においては、マスクあるいは被転写体のアライメ
ント用のマークパターンの配置に応じて可動とされ、先
端に設けられた第１反射部材を介してマークパターン同
志の整合状態を検出する第１のアライメント光学系と、
この第１アライメント光学系と一体、もしくは単独に可
動とされ、マスクの中心に対して第１アライメント光学
系のパターン検知位置よりも外側の観察位置でマークパ
ターンの像を観察する第２のアライメント光学系とを設
けるようにした。

〔作用〕

本発明では位置合わせ光学系（第１アライメン１へ光学
系）と目視光学系（第２アライメント光学系）を持って
いるので、アライメントシーケンス途中でアライメント
状態を確認したい場合、顕微鏡、対物レンズ等を移動さ
せオートの位置合わせ位置での目視観察を行なえる。さ
らにオートの位置合わせ光学系によりアライメントをし
ている陣中に、観察系により観察できるマスク　（又は
ウェハ）上の位置に目視用マークを用意しておけばオー
トアライメント中に目視観察を続けることができる。

また第１のアライメント光学系の光路を第１反射部材で
折り曲げるため、Ｘ線源を近づけることが出来、ウェハ
面上へ到達するＸ線の強度が増しスループットが向上で
きる。

さらに光学系の光路を折り曲げている為、各アライメン
ト光学系によるアライメント位置と目視観察位置を近づ
けることが可能となった。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例による位置合わせ光学系の配置
を示し、第２図はこの光学系をＸ線露光装置のアライメ
ント系に適用したときの配置を示す。第１図（ａ）にお
いて、マスクＭに形成された回折格子マークＧＭ、は同
図中の紙面と垂直な方向、すなわち第２図（ｂ）中の矢
印Ｐの方向に格子要素が配列され、格子マークＧＭ、は
、オートアライメント系ＡＡＳからほぼ垂直にアライメ
ント用のレーザ光ＬＢが照射される。オートアライメン
ト系ＡＡＳの先端にはミラーｌか斜設され、不図示のレ
ーザ送光系から水平に射出してきたほぼ平行なレーザ光
ＬＢはミラー５て面角に反射された後、ミラー４、及び
対物光学系２を介してミラー１に入射し、レーザ光ＬＢ
はここて反射され、マスクＭにほぼ垂直に入射する。本
実施例ては、対物光学系２の光軸はミラー１とミラー４
との間で斜めになるように配置され、レーザ光ＬＢは対
物光学系２の光軸上を通るものとする。

さらに対物光学系２は円形レンズの半分側のみを利用す
るため。他の半分については切断してコンパクトにしで
ある。第１図ては図示していないか、マスクＭの下方に
は１０〜５０ｇｍ程度の間隔てウェハＷか配置されてお
り、レーザ光ＬＢはマスクＭて透過回折された後、ウェ
ハＷ上の回折格子マークＧ　Ｍ　２により再度反射回折
され、第１図（ｂ）に示すように所定角度θたけ傾いた
回折光Ｄｆ、Ｄｆ　′か発生する。この回折光Ｄｆ、Ｄ
ｆ′はミラー１て反射され、対物光学系２の軸外部分を
通り、ミラー４、ミラー５て反射されて不図示の回折光
検出系（光電検出系）に達する。回折光検出系は回折光
Ｄｆ、Ｄｆ　’等の受光に基づいてマスクＭとウェハＷ
の間の矢印Ｐ方向の相対偏位（相対位置ずれ）を検出す
る。上記ミラー１、対物光学系２、ミラー４．５等を含
むオートアライメント系は、本発明の第１のアライメン
ト光学系に対応する。

一方、オートアライメント系ＡＡＳとマスクＭとの間の
空間にはマスクＭ−ヒの目視用のマークＶ　Ｍ　＋等を
観察するためのマニュアルアライメント系（目視観察系
）ＭＡＳか配置される。マニュアルアライメント系ＭＡ
Ｓの先端にはミラー３か斜設され、ミラーＶＭ、の像光
線はテレセントリックな対物レンズ６、ミラー７、ミラ
ー８を介して不図示の観察系（顕微鏡の接眼系、テレビ
カメラの撮像レンズ等）に達する。このマニュアルアラ
イメント系ＭＡＳの対物レンズ６の光軸Ａ　Ｘ　２は、
マスクＭとミラー３との間ではマスク面に対して垂直と
され、ミラー３とミラー７との間では斜めにされ、ミラ
ー７とミラー８の間では垂直にされ、さらにミラー８と
観察系との間では水平になるように定められる。対物レ
ンズ６は高倍率で比較的大きなＮ、Ａ、　（開口数）を
確保するために斜めに配置される。このような目視のた
めの対物レンズでは、レンズ先端からマスクＭまでの作
動距離（ワーキング・デイスタンス）が短くなってしま
うため、対物レンズを水平に配置すると対物レンズの径
によって、その鏡筒がマスクＭの位置にはり出してしま
う。従って、このように斜めに配置することによって、
空間的な干渉をさけることができる。以上のミラー３、
対物レンズ６、ミラー７．８は、本発明の第２のアライ
メント光学系に対応する。

さて、オートアライメント系ＡＡＳによるマーク検出位
置（レーザ光ＬＢのマスクＭ上の照射位置）とマニュア
ルアライメント系ＭＡＳによるマーク検出位置（光軸Ａ
Ｘ２のマスクＭ上の交点）とは、矢印Ｐ方向に一定の間
隔だけ離れるように設定されており、オートアライメン
ト系ＡＡＳとマニュアルアライメント系ＭＡＳとは一体
となって矢印Ｐ方向に可動とされている。またオートア
ライメント系ＡＡＳの先端のミラー１の上方からは露光
光としてのＸ線が照射されるため、ミラー１の反射面先
端に対物光学系２の光軸（レーザ光ＬＢ）が通るように
設定され、ミラー１によるＸ線の遮へいを最小、もしく
は皆無としている。−方、マニュアルアライメント系Ｍ
ＡＳの先端のミラー３については、レーザ光ＬＢ、回折
光Ｄｆを遮光しない位置で、なるべくレーザ光ＬＢの光
路に近づけた位置（第１図中で左方）に配置される。

尚、オートアライメント系ＡＡＳの光軸（レーザ光Ｌ　
Ｂ）とマニュアルアライメント系ＭＡＳの光軸Ａ　Ｘ　
２とは第１図中で紙面内に存在するように配置される。

さて、第１図に示した光学系を、第２図に示すようにＸ
線露光装置に組み込む場合、マスクＭの薄膜面の中央部
に形成されたデバイスパターン領域ＰＲの周辺の複数位
置に格子マークＧＭ、　、目視マークＶＭ、が設けられ
るので、これに対応して複数のアライメント光学系を配
置する。第２図ではパターン領域ＰＲの左右の各マーク
を検出するために、２つのアライメント光学系（２組の
ＡＡＳ、ＭＡＳ）を対称的に配置した場合を示す。

Ｘ線発生装置の内部のＸ線発光点１５からのＸ線（波長
１Å以上の軟Ｘ線）１７は、ベリリウム（Ｂｅ）等の取
り出し窓１６を介してヘリウムガスの雰囲気中を通って
マスクＭに達する。この際、マスクＭの中心、すなわち
デバイスパターン領域ＰＲの中心点ＭＣを垂直に通る露
光中心軸Ａ　Ｘ　＋が、発光点１５を通るように定めら
れる。マスクＭにはデバイスパターン領域ＰＲに近い位
置にオートアライメント用の格子マークＧＭ、が形成さ
れ、ここから外側に一定距離の位置に目視用のアライメ
ントマークＶＭ、が形成される。一方、ウェハＷ上には
、マスクＭの各マークの配置に対応した位置に、オート
アライメント用の格子マークＧＭ、と目合わせ用のマー
クＶ　Ｍ　２の夫々が形成されている。オートアライメ
ント系ＡＡＳは格子マークＧ　Ｍ　＋　と０Ｍ２の夫々
を使って二重回折格子法のアライメントを実行し、マニ
ュアルアライメント系ＭＡＳはマークＶＭ、と■Ｍ２の
夫々を観察して目合わせを実行する。一般に、この種の
Ｘ線発生装置は発光点から発散Ｘ線を発生するため、デ
バイスパターン領域ＰＲの周囲の一点（例えばマーク位
置）に達するＸ線は、中心軸ＡＸ２の方へ傾いたものと
なる。従って本実施例のようにオートアライメント系Ａ
ＡＳの先端のミラーｌが、マスク面に対して比較的上方
に配置できること、Ｘ線束１７とレーザ光ＬＢとの幾何
学的な関係とから、ミラー１はデバイスパターン領域Ｐ
Ｒを照射するＸ線束１７を遮へいすることなく格子マー
クＧＭＩ　、０Ｍ２にレーザ光ＬＢを照射することが可
能となる。このため露光動作中においてもオートアライ
メントが働き、マスクＭとウェハＷをアライメント信号
（光電信号）に基づいて常時サーボロックしておくこと
ができる。

さらに本実施例では格子マークＧ　Ｍ　＋　（Ｇ　Ｍ　
２　）と目視マークＶＭ＋（ＶＭｚ）との間隔は、オー
トアライメント系ＡＡＳとマニュアルアライメント系Ｍ
ＡＳとの各マーク検出位置の間隔と一致するように定め
られている。そして第２図からも明らかナヨウニ、格子
マーりＧＭＩ（０Ｍ２）とマークＶＭ。

（ＶＭ２）はマスクＭの中心点ＭＣを通りマスク面（ウ
ェハ面）に含まれる直線上に位置するように定められ、
アライメント光学系（ＡＡＳとＭＡＳ）は一体となって
、この直線に沿って移動可能とされている。

ところでＸ線の強度は高真空の雰囲気以外では減衰が大
きいため、取り出し窓１６とマスクＭとの間隔はできる
かぎり狭くした方がよい。そこで本実施例では第２図の
ように、Ｘ線発生装置の取り出し窓１６の周囲の部分１
８を、アライメント光学系、特にオートアライメント系
ＡＡＳの上部形状（内部のミラー、対物光学系等の配置
により決まる）に合わせて斜めにした。これによって取
り出し窓】６の部分をミラー１で囲まれた空間近傍まで
下げる（ウェハＷに近づけられる）ことができ、マスク
Ｍ、ウェハＷへ達するＸ線の減衰を低下させることがで
きる。このことは露光装置としてみると、ウェハ処理枚
数（スルーブソ日を低下させることがない点が極めて有
利である。

さて、第３図は第１図、第２図に示したプライメンｌ−
光学系を用いたアライメントの様子を示す。

通常マスクＭのデバイスパターン領域ＰＲは、ウェハＷ
の全面積に対して小さいため、ウェハＷをマスクＭに対
して水平方向に一定ピンチだけステッピングさせては露
光を行なうステップ・アンド・リピート方式が採用され
る。従ってウェハＷがステッピングされると、第３図に
示すように、マスクＭの格子マークＧ　Ｍ　＋　　と、
ウェハＷ上の１つのシ’ａ　ソト領域に付随した格子マ
ークＧＭ２とがほぼ整合（例えば±１μｍ以内）して位
置する。

そこでオードアライメン１−系ＡＡＳからのレーザ光Ｌ
Ｂを格子マークＧＭ、　、０Ｍ２の夫々に照射し、回折
光Ｄｆを光電検出して二重回折格子法によるオー１−ア
ライメントを開始する。このとき、格子マークＧ　Ｍ　
２等に大きな欠陥が生じていると、光電信号は所期のも
のと異り、マーク検出が不可能になることがある。この
場合、オートアライメント系の電気的な処理系はアライ
メントエラーが発生したことを警告し、装置の動作を中
断してしまう。従って、装置の動作を再開するために、
マニュアルアライメント系ＭＡＳを用いて目視マークＶ
Ｍ、、ＶＭ２の整合状態を観察するようにシーケンスを
切り替える。そして例えばテレビ画面等を観察しながら
、マスクＭ、又はウェハＷの一方を手動にて移動させ、
マークＶＭ、と７Ｍ２の整合が達成された時点で露光を
開始すればよい。

ところで専用の目視用マークＶＭ、　、ＶＭ２を設けな
くとも、オートアライメント用の格子マークＧＭＩ　、
０Ｍ２を目視に兼用してもよい。その例を第４図（ａ）
、（ｂｌに示す。通常は、オートアライア６ メ ント Ｇ　Ｍ　２とを二重回折格子法でアライメントするが、
検出不能になった場合は、このアライメント光学系の全
体をマスクＭの中心点ＭＣの方へ、一定量だけ移動させ
て、第４図ｔｂ）に示すように格子マークＧＭ＋　、Ｇ
Ｍｚがマニュアルアライメント系ＭＡＳの検出視野内に
入るように設定し、格子マークＧＭ，と０Ｍ２の格子同
志のずれを目視にて観察する。このようにすれば、オー
トアライメント用とマニュアルアライメント用のマーク
が１ケ所で済むため、特にウェハＷ上のマーク専有領域
が少な（なる。この例の場合、目視中はミラー１がデバ
イスパターン領域ＰＲへのＸ線束中に入り込むことがあ
るので、露光動作の際は第４図（ａ）の位置までアライ
メント光学系を退避させる必要がある。

尚、第４図（ａ）、Ｆｂｌのような使い方を効率的にす
るために、第４図（ａ＋のようにオートアライメント系
ＡＡＳを配置したまま、マニュアルプライメン１〜系Ｍ
ＳＡのみをマスクＭの中心点ＭＣへ向けて繰り出すよう
に構成してもよい。すなわちオートアライメント系ＡＡ
Ｓとマニュアルアライメント系ＭＡＳとを、各マークの
検出位置の変更のため、あるいは露光の際の退避のため
に個別に可動としてもよい。

また第３図に示した使い方をする場合は、格子マ　’）
ＧＭ＋　、ＧＭｚ　の検出と、目視’？−りＶＭＩ　、
７Ｍ２の検出とが同時に可能であるから、オートアライ
メントの動作中にマークＶ　Ｍ　＋　、Ｖ　Ｍ　２の像
がリアルタイムにテレビ画面上で観察でき、オートアラ
イメントの確認がただちにできる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、オートアライメントのための第
１アライメント光学系と、像観察（マニュアルアライメ
ント）のための第２アライメント光学系との両方を択一
的、あるいは同時に使用して、より確実なアライメント
作業が可能となる。

また第１アライメント光学系は先端に設けた第１反射部
材（ミラー１）によって光路を折り曲げられているため
、その上方空間に位置するＸ線取り出し部をマスク（ウ
ェハ）を接近させることが可能となる。このためウェハ
に達するＸ線強度が大きくとれ、スループットの向上が
期待できる利点もある。

また第１反射部材（ミラーｌ）はマスクの上方空間に位
置し、Ｘ線束を遮へいせずに７ライメント用のパターン
を検出することができるので、露光動作中であってもア
ライメントパターン検出信号に基づいてマスクとウェハ
との相対的な位置決めのサーボ制御を働かせることがで
き、アライメント精度、重ね合わせ精度を高い精度に保
つことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例による位置合わせ光学系
の配置を横からみた図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）
の光学系を左正面からみた図、第２図は第１図（ａ）、
（ｂ）の光学系をＸ線露光装置に組み込んだ場合の構成
を示す図、第３図はマスクとウェハのアライメントの様
子を示す図、第４図（ａ）、（ｂ）はマスクとウェハの
他のアライメントシーケンスの様子を説明する図である
。 〔主要部分の符号の説明〕 １．３．４．５．７．８−　ミラー、 ２一対物光学系、 ６一対物レンズ、 １５−Ｘ線発光点、 １６−取り出し窓、 １７−・Ｘ線束、 １８−・−Ｘ線発生装置の下部周囲部分ＡＡＳ−オート
アライメント系、 ＭＡＳ−・マニュアルアライメント系、Ｍ−・−マスク
、 Ｗ・−ウェハ、 Ｇ　Ｍ　＋　、Ｇ　Ｍ　２　’−回折格子マーク、ＶＭ
、　、ＶＭ２−　目視用ノマーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マスクに形成されたアライメント用のパターンと被
   転写体に形成されたアライメント用のパターンとの整合
   状態を光学的に検知し、前記マスクと被転写体とをアラ
   イメントするＸ線露光装置の位置合わせ光学系において
   、 前記アライメント用のパターンの配置に応じて可動であ
   り、先端に設けられた第１反射部材を介して前記パター
   ンの整合状態を検出する第１のアライメント光学系と；
   該第１のアライメント光学系と一体、もしくは単独に可
   動とされ、前記マスクの中心に対して前記第１のアライ
   メント光学系のパターン検知位置よりも外側の観察位置
   で前記パターンの像を観察する第２のアライメント光学
   系とを備えたことを特徴とするＸ線露光装置の位置合わ
   せ光学系。 ２、第１のアライメント光学系は、第１反射部材によっ
   て折り曲げられた光軸に沿って配置された第１対物レン
   ズを有し、第２のアライメント系はマスクと前記第１反
   射部材との間の空間に斜設された第２反射部材と、該第
   ２反射部材によって折り曲げられた光軸に沿って配置さ
   れた第２対物レンズとを有し、前記第１対物レンズと第
   ２対物レンズとを上下に配置したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の位置合わせ光学系。 ３、第１対物レンズの作動距離を第２対物レンズの作動
   距離よりも長くし、該第１対物レンズと第２対物レンズ
   の夫々はマスクの中心に対して外側に傾けて配置したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の位置合わせ
   光学系。 ４、Ｘ線露光装置のＸ線源からのＸ線をマスクに照射す
   るためのＸ線取り出し部を、第１反射部材の上方空間に
   配置する際、該Ｘ線取り出し部周囲の形状を、第１反射
   部材、第１対物レンズの配置に合わせた斜め形状とした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の位置合わ
   せ光学系。