JPH01204416A - 縮小投影式アライメント方法及びその装置 - 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、半導体、バブルメモリ、薄膜トランジスタ等
を製作するために行われる縮小投影露光装置特に可視光
の透過率が極めて低い投影レンズを有するエキシマレー
ザ光露光装置における位置合せ方法及びその装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来の縮小投影露光装置としては、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｎ
ｇｈ・Ｔｈｅ　Ｌｅｎｓ　）の露光位置アライメント方
式が特開昭５２−１０９８７５号、’ｌ？開昭５５−４
１７３９号等で知られていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術を露光用光として狭帯域のレーザであるエ
キシマレーザを用いた縮小投影露光装置に適用しようと
しても投影レンズにはエキシマレーザを十分に透過させ
るコーティングが施しであるため、他の波長の光の透過
率が極めて低く、投影レンズを介して露光装置アライメ
ントか困難であった。。

本発明の目的は、エキシマレーザ用縮小投影露光装置に
おいて、投影レンズを介さすに、露光位置アライメント
をできるようにした位置合せ方法及びその装置を提供す
ることにある。

また本発明の目的は、検出光学系と露光光学系との位置
合せを可能にした位置合せ方法及びその装置を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、複数の波長からなる光を基板上の合せマーク
に縮小投影レンズと基板との間隙の側方より斜めに照射
し１合せマークから生じる回折光を検出器で検出して、
定位置に合せマークを位置決めして露光位置アライメン
トを実現するようにした位置合せ方法及びその装置であ
る。

即ち４つの波長のＰ偏光レーザを基板に対して照明角度
θ（試料の法線と照明光とのなす角）をコ（３０°〜８
む最も望ましいのは６ず〜８ダである。）程度にして照
明し１合せマークとして回折を生せしめるような直線状
のドツトパターンを用いて回折光を得て回折光ヲ対物レ
ンズで集光し、これの実像をＰ偏光状態で回折格子上に
結像させ、この回折光を更に中間レンズで集光して第２
の実像を作って光電変換素子で映像信号に変換し、露光
位置で合せマークの位置を検出し、定位置に位置合せで
きるようにしたことにある。

また本発明は、上記縮小投影露光装置において。

テーブル上に載置された検出用基板上のレジストが塗布
されていない合せマークにエキシマレーザ光と実質的に
等しい波長の光で上記縮小投影レンズを介して照明する
照明手段と、縮小投影レンズを介してレチクル上に形成
される検出用基板上の合せマークの逆投影像とレチクル
上に形成された合せパターンの像とを検出して映像信号
に変換する検出器と、該検出器から得られる映像信号に
もとづいて、レチクル上の合せパターンを基準にして上
記テーブルを微動させて基板上の合せマークを位置決め
し、この位置決めされた合せマークに対し、上記検出手
段によりその位置を検出して検出手段を微動させて検出
手段を定位置に位置決めすることを特徴とする。

〔作用〕

複数の波長からなる光を基板上の合せマークに縮小投影
レンズと基板（ウェハ）との間隙の側方より斜めに照射
し、合せマークから生じる回折光を検出器で検出するこ
とにより、基板上に塗布されたレジストの厚さむらが生
じても、縮小投影レンズを介さずに露光位置アライメン
トヲ実現するようにした。特に約２４８．５　ｎｍのエ
キシマレーザ露光光でレチクル上の回路パターンを縮小
投影レンズで基板（ウェハ）上に投影露光する装置にお
いてエキシマレーザ光を用いて縮小投影レンズを介して
基板上に形成された合せマークの位置′Ｐｔ検出しよう
とした場合、実際には合せマーク上にレジストが塗布さ
れており、このレジストによって上記エキシマレーザ光
が吸収されてレジストの下面に形成された凹凸の合せマ
ークからの反射光が少なくなって検出信号が微弱となり
検出することがむずかしい。またエキシマレーザ光以外
の可視光に近い元ヲ使用した場合、縮小投影レンズのコ
ーティングにより、第７図に示すように光が減衰してし
まい、同様に検出信号として微弱になってしまう。

更に位置検出光の波長がエキシマレーザ光の波長が大ぎ
く相違すると、縮小投影レンズの色収差により合せマー
クの像が得られＫ（い。そこで本発明においては、縮小
投影レンズを介さずに基板（ウェハ）上の合せマークの
位置ＹＭ光位置で検出するようにしたことにある。そし
てこの基板合せマークの位置検出光学系とレチクルとの
位置とをレチクルを設置した際、縮小投影レンズを介し
て位置合せするようにした。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を第１図により説明する。レチ
クル１を約２４８５　ｎｍの波長を有するエキシマレー
ザ１０１で照明し、縮小投影レンズ３で基板（ウェハ）
４の上にレチクルの回路パターンを露光しチップ１０２
ヲ形成する。チップ１０２の周辺のスクライブエリア６
０に第３図及び第４図に示すように直線状のドツトパタ
ーンからなる回折式合せマーク６５ヲ設けておきこれｔ
レーザで照明する。

波長’ｋ　４５８３ＦＫ　、　４８８ｎｍ　、　５１５
ｎｍ　Ｙ同時に発振しているＡｒレーザ１０３からのレ
ーザ光を一度分光器１０４で分光し、各々の波長の光路
に強度を調整するフィルタ１０５α、　１０５Ａ　、　
１０５１’を挿入して同一の強度にする。その後ミラー
１０６．ダイクロイツクミラー１０７α、　１０７Ａで
各々の波長の光乞同−光路に合成する。一方波長５４３
ルｍｆ発振しているＨｅ　−Ｎｅレーザ１０８からの光
をフィルタ１０５ｄ　、ダイクロイックミラー１０７０
”ｋ通して上記３つの波長の光の光路に加えて４つの波
長の元の光路１０９とする。

上記のＰ偏光のレーザ党ヲ照明レンズ１１０で絞り、回
折式合せマーク６５に集光する。この間に反射光学系を
設げ、θｉｋ約フイにしている。回折式合せマーク６５
の第２次の回折光はθ０が５０°になっているので、こ
れｔ露光用のエキシマレーザを遮らないように設けたミ
ラー１１１で反射させて対物レンズ１１２で集光して実
像１１３ヲ形成する。実像に平行に１　ｘｍに２０００
本の溝を有する回折格子１１４ヲ設げるとここからの第
１次の回折光はほぼ垂直上方に進む。これを更に拡大レ
ンズ１１５で拡大すると第２実像１１６が得られる。こ
れは左右方向に伸びているので拡大光学系の途中にシリ
ンドリカルレンズ１１７ヲ設は左右方向に実像馨圧縮す
ると第２の実像は１１８となり１幅ωは実像１１６と同
一であるか左右方向の長さが短かくなり、照度が向上す
る。これにより実像１１８が光電変換素子１１９で鮮明
に検出できる。

以上の光学系によって合せマーク６５のｙ方向（紙面に
垂直方向）の位置ｌ求めることができる。

Ｘ方向（紙面に平行の方向）の位置検出には第２図に示
すように、ｙ方向に設けたもう一つの合せマーク１２０
ヲ検出する必要があり、もう一つの照明・検出光学系１
２１ヲ設げる必要がある。

以上２つの検出光学系によって合せマークのＸ。

ｙ方向の位置が求められるので、これが所定の位置にく
るようにステージ１２２　’＆動かしウェハを位置決め
する。

上記実施例に記載されたように縮小投影レンズ３の下に
合せマーク検出光学系を組み込むためには照明角度θヲ
３０〜８ｆの範囲（最も望ましいのは７ｆヲ基準にして
６？〜８ｆである。）にしなければならないが１合せマ
ーク６５　ｗ　ｒｃｆの方向から検出すると１合せマー
ク６５か光軸の前後方向に長（なり実像の解像度が極端
に低下する。そこで検出側のθを小さクシ、合せマーク
を極力垂直に近い状態で検出する。

そのため合せマーク６５は第３図において基板４のダイ
シングライン６０の中にＸ、Ｙ方向に設ける。

その形状は第４図のよ５に概ねｇ１＝　１５μｒｎ　、
　Ｂ　＝　３．５μｍ　ｅ　Ｐ”Ｉｓ　＋ｔｉｘ＝５μ
ｒｔｒ　、　Ａ　＝　６ｐｍとして基板上ニ露光・エツ
チングで形成する。この合せマークの全長ｌｏは４０μ
ｍ以上であることが望ましい、このマークに第５図に示
すように、波長λＧの光６１’ｇ角度θｉで照明すると
、正反射光６２の他に θ、　＝　５ｉｎ−’　（ｓｉｎθｉ−”　）　（ｎ−
１、２、３−）　　＝（１１で与えられるθ０の方向に
回折光６３が多数生じる。

−例としてλ６　＝０．５μｓ　、　ｐ　＝　５μｍ、
θ、＝７−とするとθ、＝５０’　、　５０’　、　４
２°・・・・・・の方向に回折光が生じる。回折光は６
♂、５ｄ’、４２°・・・・・・とθ０が小さくなるに
従って強度も小さくなるので、適当な角度を選択する必
要がある。

実際には第６図に示すようＫこの合せマーク６５の上に
ホトレジスト１２が塗布されているので回折の状況が多
少変化するが、見かけ上は第５で説明した値と同じにな
る。ここで注意しなければならないのは照明にはＰ偏光
１０９を使用することである。これＫよりホトレジスト
１２の表面での正反射光を低減し、照明光をホトレジス
ト１２の下の合せｉ−り６５に導（ことかできる。−例
としてθ０＝５♂の回折光を検出すれば１合せマーク６
ｓｙｓｄ’の方向から検出することか可能となり、７ｆ
の方向から検出する場合に比べて良好な実像を得ること
ができる。

次に照明にはレーザを使用するが、単一のレーザの場合
には回折光がホトレジス）１２の内部で多重干渉を起こ
し、干渉縞音発生する。合せマーク６５上のホトレジス
ト１２は一般的には塗布むらがあり、正反射光を検出す
ると第８図４５に示すように明暗の干渉縞が不規則に発
生し１合せマーク６５の検出ができない。回折光の検出
の場合にも同じ現象となるので、照明には２つ以上の波
長のレーザを使用する必要がある。しかしその回折光の
角度θ０（第５図参照）は式（１）で説明したように波
長λＯＫよって変化するので、この回折光を集光する対
物レンズ１１２は十分にＮＡ（開口数）の大きなものを
使用し、照明に用いたすべての波長の回折光を集光する
必要がある。

次に斜方から検出した合せマーク６５の像を回折格子１
１４を用いて光軸に直角な像に直す方法を述べる。原理
的には第９図に示すように試料４上の回折式合せマーク
６５ヲレーザ光１０９で照明し１回折光６２ヲ対物レン
ズ１１２で集光すると実像１１３は元軸６７に対して傾
いて作られる。この上に回折格子１１４ヲ設けると回折
光６９は垂直上方に進むので、。

レンズ１１５で拡大して検出すればよい。

第１０図（α）に示すように回折光６２を先端ミラー１
１１でほぼ水平に反射させ、側面を削り落した対物レン
ズ１１２で集光し、中間ミラー７３ヲ経て実像１１３を
作り、これに平行に回折格子１１４を設ける。対物レン
ズ１１２ヲ上方から見た図を第１０図Ｃｈ）に示す。

回折式合せマーク６５からの散乱光はこの面内では散乱
光７４のように左右に広がるので、検出の解像度を高め
るためＫこの面内では対物レンズ１１２ヲ削っていない
。実際の対物レンズ１１２の形状は第１１図に示すよう
にホルダ７５とレンズ７６から成り上下の部分を削り落
している。

ここで注意すべきことは第１０図（α）でψ器が８０°
程度になることである。このようにψｔが大きい場合に
は回折光６９の強度は偏光の影響を大さ（受ける。

この現象は余り知られていないのでＰ偏光の方がＳ偏光
（紙面の前後に直線偏光する）の２０倍程度高い強度が
得られる。従りて本発明では照明、対物レンズ２回折格
子を同一の光軸上に設げて、すべてＰ偏光のまま光を通
し検出することが極めて重要である。このように照射す
る光としては空間点コヒーレンスの高いＰ偏光の複数の
波長を有する光（白色光でもよい）を照射し、検出光学
系の方に分光器をお（共に０次以外の回折光を検出する
ようにしてもよいことは明らかである。

また本発明の他−実施例を第１２図を用いて説明する。

ＸＹステージ２２の上にレジスト１２が塗布されていな
い位置検出用ウニ八６０ヲセットする。これＫは第４図
に示すようなレジスト１２が塗布されていない凹凸パタ
ーンを有する合せマーク６５ヲ設けである。一方レチク
ル１には第１３図に示すよ５ニ窓４８を設げておぎ、上
方からエキシマレーザ元１０１を照射し、窓４８ヲ通っ
た光で１位置検出用ウェハ上の合せマーク６５′ヲ照明
する。合せマーク６５の逆投影像はレチクル１の上に作
られるので、ハーフミラ−６２，対物レンズ６３．光電
素子６４から成る較正用検出器７０’４挿入し、レチク
ル上の窓４８を下から上に通過してきた光を検出する。

この時の光電素子６４の出力を第１３図を用いて説明す
る。レジスト１２が塗布されていない位置検出用ウェハ
上の合せマーク６５は凹凸パターンで作られているので
、上方から光を当てると段差部分で元が散乱し、上方に
戻ってくる光が減少する。合せマーク６５’＆３’方向
（紙面に垂直な方向）に送りながら光電素子６４の出力
を測定すると１合せマーク６５がレチクルの合せマーク
４８の中に入った時に反射光が減少するので光電素子６
４の出力６５も減少する。この信号から中央位置６６を
求めればこれがレチクル上の窓４８の中央位置と一致し
た位置である。そこで次にＸＹステージ２２ヲ移動させ
て位置検出用ウェハを−ｙ方向に動かし、ウェハが点６
６の位置に来た時ＫＸＹステージ２２ヲ止めて位置検出
用ウェハ６０”ｋ静止する。

次に縮小投影レンズ３と位置検出用ウェハ６０の間に設
げた合せマーク検出器６７（照°明系６７αと検出系６
７ｂから成る）’ｆｔｘｙ方向に動かして合せマーク６
５ヲ検出する。これは既に第１図を用いて説明したよう
に斜めからレーザを照明し１合せマーク６５からの回折
−＋Ｖ検出してｙ方向の位置を求めるものが最適である
ので、これを使用する。ｙ方向の位置の測定値が所定の
値になったところで検出器６７”ｋ固定する。

その後較正用検出器７０　（６２、６３、６４から成る
）を後退させれば露光光学系と上記の斜方検出光学系は
完全に位置合せされたことになる。なおここでウェハ上
の合せマーク６５の＋［Ｗｗとレチクル上の合せマーク
４８の＠；Ｗｒの関係は以下のようにすることが望まし
い。

Ｗｒ≧ＷｕＪ これによりて信号６５は谷が一つの信号となり中央位置
６６が容易に求められる。

以上は第１２図でｙ方向（紙面に垂直の方向）の位置検
出法を説明したが、実用時には、この検出系を直角方向
にもう一つ設けて、Ｘ方向（紙面に平行の方向）の位置
を検出する必要がある。

このように通常のレジストが塗布されていない合せマー
ク６５？：有する基板（ウェハ）を用いることによって
レチクルに対し、基板の合せマークを検出する合せマー
ク検出器６７’＆位置合せすることによって以後、基体
を露光位置においてレチクルと相対的に位置合せをする
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、縮小投影レンズを
介さずに露光位置で基板の位置を高感度でしかも高精度
に位置決めしてエキシマレーザ光を照射して、縮小投影
レンズによりレチクルパターンをウェハに投影露光転写
することができる。特に従来０．２〜０．３μｒ！Ｌあ
った検出誤差ｆｔ０．０５μｍ以下に低減することがで
き、今後の高集積ＬＳＩのパターン形成を可能にした。

マタ、エキシマレーザ用縮小投影レンズでは合せマーク
検出用の可視レーザの透過率が極めて低いため、非ＴＴ
Ｌ（縮小投影レンズ７通さない検出法）方式を採用せざ
るを得ない。この時の最大の問題点はこの非ＴＴＬ合せ
マーク検出器と、露光光学系の相対的位置合せである。

本発明では位置較正用の基板をＸＹステージ上にセット
し、ここからの反射光をレチクル上に設げた基準パター
ンを通して、検出器で検出して、これを基にして上記基
板を位置決めしている。更にこの基板上の合せマークを
検出することにより。

検出手段の位置決めを実現したもので、従来の縮小露光
装置の骨格を変えることな（アライメントを可能にした
点に特徴がある。本発明ケ適用することにより基板上の
合せマークを±０．０５μｍ以下の誤差で検出し、±０
．１μｍ（３σ）以下の誤差で位置決めできるようにな
り、０．５〜０．３μｍ線幅で構成されるＬＳＩの露光
か可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す正面図、第２図は第１
図の原理を立体的に示した図、第３図は基板上の合せマ
ークの配置図、第４図は不発明に用いられる合せマーク
の形状を示す図、第５図は第４図に示す合せマークの回
折光を示す図、第６図は第４図に示す合せマークにレジ
スト乞塗布したときの回折光を示す図、第７図はエキシ
マレーザ光用縮小投影レンズの分光透過率を示す図、第
８図は合せマークに対し単一レーザ光で照明したときの
得られる映像信号波形を示す図、第９図は本発明に係る
斜方検出方式の原理ン示す図、第１０図は本発明の検出
方式の原理を示す図、第１１図は本発明において使用す
る対物レンズの形状を示す斜視図、第１２図は本発明の
他の一実施例を示す正面図、第１３図は第１２図に示す
装置において得られる映像信号の処理を説明するための
図である。 １・・・レチクル、　　　　３・・・縮小投影レンズ。 ４・・・基板、６５・・・合せマーク。 １２・・・ホトレジスト、２２・・・ＸＹステージ、１
１４・・・回折路−？’、　　　　１０３・・・Ａｒレ
ーザ発振器、１０８・・・Ｈｅ　−Ｎｅレーザ発発器器
１０１・・・エキシマレーザ光。 １０２・・・チップ、１１２・・・対物レンズ。 １１４・・・回折格子、　　　１１５・・・拡大レンズ
。 １１７・・・シリンドリカルレンズ。 ｌρ２−−−チー／７°　　　　　　／θ７−フイ７０
イ９７ミラー　／Ｉｄ−・口１今格ｇ１１）５−−Ａｒ
ｕ４’　　　　　　／ｌθ−・−Ｈｅ−〜ｅレサ゛　　
ｔｔｊ−＃ｊｄＣ，レンス゛発５０　　　　　　　　晃
４区 発５呂　　　　　　拓２国 拓７ｍ 庵８の

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、露光光としてエキシマレーザ光を用いてレチクル上
   の回路パターンを縮小投影レンズにより基板上に露光転
   写する方法において、上記縮小投影レンズと基板の間の
   側方より基板上に形成された合せマークに対して斜め方
   向から複数の波長を有する光を照射し、露光位置におい
   て、この合せマークからの回折像を光電変換素子で検出
   して定位置に合せマークを位置付けることを特徴とする
   位置合せ方法。 ２、上記合せマークが直線状のドットパターンで形成す
   ることを特徴とする請求項１記載の位置合せ方法。 ３、露光光としてエキシマレーザ光を用いてレチクル上
   の回路パターンを縮小投影レンズにより基板上に露光転
   写する装置において、上記縮小投影レンズと基板の間の
   側方から複数の波長を有する光を基板上に形成された合
   せマークに対して照射する光照射手段と、露光位置にお
   いて該合せマークからの回折像を検出して光電変換素子
   により映像信号に変換し、上記基板を微動させて上記合
   せマークを定位置に位置付ける検出手段とを有すること
   を特徴とする位置合せ装置。 ４、上記光照射手段において照射する光が基板の表面に
   対して垂直な面に偏光する直線偏光であることを特徴と
   する請求項３記載の位置合せ装置。 ５、露光光としてエキシマレーザ光を用いてレチクル上
   の回路パターンを縮小投影レンズにより基板上に露光転
   写する縮小投影露光装置において、基板上の直線状の凹
   凸からなる合せマークに対してこの合せマークの法線に
   対して３０〜８５゜の角度をもって２つ以上の異なる波
   長を有するＰ偏光又はこれに近い偏光を有する空間的コ
   ヒーレンスの高い光を照明する照明手段と、この合せマ
   ークからの回折光を対物レンズで集光し、これの第１実
   像の合焦点面にほぼ一致させて回折格子を設け、この回
   折光を更に第２のレンズで拡大又は縮小して光電変換素
   子により撮像してこの光電変換素子から得られる映像信
   号により合せマークの位置を検出する合せマーク検出手
   段とを備え、露光位置において該合せマーク検出手段か
   ら得られる映像信号にもとづいて上記基板を載置したテ
   ーブルを微動させて定位置に位置付けることを特徴とす
   る位置合せ装置。 ６、上記照明手段と検出手段を露光光と干渉しないよう
   に設置し、合せマークを検出して基板を所定の位置に位
   置決めした後、照明手段及び検出手段を移動させること
   なくレチクル上の回路パターンを基板上に露光転写する
   ことを特徴とした請求項５記載の位置合せ装置。 ７、上記２つ以上の異なる光の波長として４５８ｎｍ、
   ４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４３ｎｍから選ばれた２つ
   以上であることを特徴としたことを特徴とする請求項５
   記載の位置合せ装置。 ８、露光光としてエキシマレーザ光を用いてレチクル上
   の回路パターンを縮小投影レンズにより基板上に露光転
   写する縮小投影露光装置において、テーブル上に載置さ
   れた検出用基板上のレジストが塗布されていない合せマ
   ークにエキシマレーザ光と実質的に等しい波長の光で上
   記縮小投影レンズを介して照明する照明手段と、縮小投
   影レンズを介してレチクル上に形成される検出用基板上
   の合せマークの逆投影像とレチクル上に形成された合せ
   パターンの像とを検出して映像信号に変換する検出器と
   、該検出器から得られる映像信号にもとづいて、レチク
   ル上の合せパターンを基準にして上記テーブルを微動さ
   せて基板上の合せマークを位置決めし、この位置決めさ
   れた合せマークに対し、上記検出手段によりその位置を
   検出して検出手段を微動させて検出手段を定位置に位置
   決めすることを特徴とする請求項３又は５記載の位置決
   め装置。