JPH0159733B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、可視及び紫外光線をマスクに照射
し、そのマスクのパターン像をテレセントリツク
な結像光学系（投影レンズ）を介してウエハに投
影露光する際、この露光に先立つてマスクとウエ
ハとを位置合わせするのに使用されるアライメン
ト装置に関し、特にテレセントリツクな結像光学
系を介してウエハ等の物体上に形成されたアライ
メント用のマークを検出するのに好適なアライメ
ント装置に関する。

一般に、LSIやVLSI製造用焼付装置の光学レ
ンズによる投影露光法において、マスクのパター
ンはテレセントリツクな投影レンズを通してウエ
ハ上に投影される。特に、マスクパターンをウエ
ハ上に10分の１程度に縮小して投影露光する装置
においては、一枚のウエハ上に同一パターンを繰
り返し露光する。そのため、各チツプを焼き付け
る毎に、マスクとウエハの相対位置を投影レンズ
を通して検出、観察し、確認することが望まし
い。この様な方式はステツプアライメント又はイ
ーチアライメントと呼ばれている（以下「ステツ
プアライメント」と呼ぶ）。

そこで、上述のステツプアライメントを行なう
ために、マスクの上部に、例えば後述する第１図
の如き観察光学系を設けて、マスク上のアライメ
ントマークとウエハ上のアライメントマークとの
相対関係を確認する方式が知られている。この種
のものはアライメント光学系又はアライメント装
置と一般に呼ばれる。。

しかし、アライメントの問題点は主にウエハパ
ターンのコントラストにある。即ち、ウエハ上の
パターンは一般には低コントラストのものが多
く、特に露光状態ではウエハ上にレジストが全面
塗布されていて更に低コントラストの原因となつ
ている。例えば、シリコン（Si）ウエハ上で二酸
化シリコン（SiO₂）のアライメントマークパタ
ーンを見ると、SiとSiO₂の全反射率はほとんど
等しいため、目視コントラストの判別が難しいの
が現状である。

そこで、マークパターンとしてのコントラスト
を上げるために、SiO₂のアライメントマークの
場合は、微小な周期のパターンを組合せて周期構
造マーク（所謂回折格子パターン）にして、この
マークの周辺の散乱光と回折光が光学系外に広が
り、像として目視するとエツジ周辺が暗部となる
現象を用いることが知られている。しかし、この
ような周期構造マークといえども、像として観察
する限り、ウエハに加えられたプロセスによつて
はコントラストが悪くなることがあり、必ずしも
満足な位置検出精度（アライメント精度）が得ら
れるとは限らなかつた。

また、アライメントマーク作成法として、ウエ
ハ焼込工程を一回増加し、ウエハの異方性エツチ
ングを利用してウエハ面に掘り込みマークをつけ
てコントラストの増大を計る方法もある。しか
し、工程の煩雑さが問題である。そのため、最近
はレーザ光を光源とし、投影レンズを通して
SiO₂アライメントマーク上にスポツトを投影し、
マークからの散乱光を検出する方法が提案されて
いる。しかし、このアライメント方法にも以下の
如き問題点が存在する。

この種の投影レンズは、露光用又はアライメン
ト用の照明光として特定の１又は２波長のみにつ
いて収差を最適化するようにレンズ設計されてい
るのが一般であり、その波長に合致したレーザ光
を選択しないと、投影レンズの収差のためにウエ
ハに投影されたスポツトが解像不良となる。仮
に、投影レンズの収差を最適化した波長に合致す
るレーザ光があつたとしても、レーザ光によるス
ポツトは一般に微小な円形に成形されるのに対
し、アライメントマークはそのスポツト径よりも
はるかに長い長方形（もしくは線条）に形成され
るため、アライメントマークのごく一部分をスポ
ツトで照射して散乱光を検出することになる。そ
のため散乱光の発生効率が低く、結果的にコント
ラスト（この場合、マークからの散乱光強度と、
マーク部以外からの散乱光強度との比に相当す
る）も低くなるという欠点が考えられる。

従つて、本発明は上記欠点を解決し、両側テレ
セントリツク、あるいは物体（ウエハ）側のみが
テレセントリツクな投影レンズ（結像光学系）と
介して、物体（ウエハ）上に設けられた周期構造
のアライメントマークを検出又は観察する際、マ
ーク検出のコントラストを向上させたアライメン
ト装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明において
は、物体上３に形成されたアライメント用のマー
ク１１からの光情報を、少なくとも物体側がテレ
セントリツクな結像光学系２と、該結像光学系の
入射瞳に共役な瞳面５を有する観察光学系とで検
出するアライメント装置において、 前記物体上のマークを照明するために光源９か
ら出射した照明光束を、前記観察光学系の瞳面を
通つて前記結像光学系の入射瞳１上に結像する照
明系９ａと；該光源と前記観察光学系との間に配
置され、前記照明光束を前記物体上で一方向に伸
びたスリツト状の照明光束に形成するスリツト化
部材６を設けると共に、前記アライメント用のマ
ークは、前記スリツト状照明光の長手方向に沿つ
て周期構造の微小パターンの複数を一直線上に規
則的に配列した回折格子１０ａとして形成し；さ
らに、前記スリツト状照明光と前記周期構造の微
小パターンとを、該スリツト状照明光の長手方向
と該微小パターンの配列方向とを略一致させた状
態で相対的に走査する走査手段と；前記観察光学
系の瞳面における前記照明光束を前記マークから
の回折光の発生方向と直交する方向に延びた帯状
分布に制限する制限部材５ａと：前記スリツト状
照明光の照射により前記マークから生じて前記観
察光学系に戻つてくる光情報のうち、正反射光以
外の回折光を前記結像光学系の入射瞳と略共役な
位置で抽出し、かつ又前記照明光束の光路から分
岐した位置で受光する光電受光手段８と：でアラ
イメント装置を構成したのである。

以下、図面に沿つて本発明の実施例を説明す
る。

先ず、本発明の基礎となる技術を第１図と第２
図に図示したように、マスクの上方に観察光学系
を設けた従来のアライメント装置に適用して説明
する。図示例では結像光学系（投影レンズ）は像
側（ウエハ側）のみテレセントリツクになつてい
る。

側面全体図である第１図ａと正面全体図である
第２図ａにおいて、露光用光源から分離された観
察用面光源部９から出た光は、コンデンサ−レン
ズ９ａにより観察光学系（レンズ自体の図示は省
略）の瞳位置５に結像し、さらにマスク４上のア
ライメントマーク１０に遮られずに結像光学系２
に達する光束は、結像光学系２の絞り位置にある
入射瞳１に光源像を作る。一方この光束は周期構
造（回折格子）アライメントマーク１１を有する
ウエハ３上に照明スリツト６の像を結ぶ。そし
て、ウエハ３上に投影されたスリツト像は投影場
所に応じた反射のされ方をして、全部或は一部は
受光素子８まで戻る。

第１図ｂ、第２図ｃ及び正面拡大図である第３
図ａはウエハアライメントマーク１１の詳細な形
状を示し、第２図ｂ及び正面拡大図である第３図
ｃはマスクアライメントマーク１０の詳細な形状
を示し、正面拡大図である第３図ｂは照明スリツ
ト６の詳細な形状を示す。

こうした構成のアライメント装置によるステツ
プアライメントは以下の要領で行われる。

先ず、照明スリツト６はウエハ３上にアライメ
ントマーク１１と同じ輪郭の像、即ちスリツト状
照明領域を形成する様に設定しておく。ここで、
照明スリツト６をＸ−Ｙ面（第１図ａ、第２図ａ
参照）内で一次元に移動させてスリツト像がマス
ク４のアライメントマーク１０上に投影される
と、このマークはCr等で作られているのでスリ
ツト像は全反射（正規反射）し、観察光学系には
戻つてこない。これは、第１図ａに示すように、
結像光学系２のマスク４側が非テレセントリツク
（軸外の主光線が傾いている）であり、スリツト
像を形成する照明光束がマスク４の面に対して傾
いているからである。但しマーク周辺のエツジで
生じた僅かの乱反射光が戻る。

次に、スリツト像がマスク４のアライメントマ
ーク１０のない所に投影されると、この像はさら
にウエハ３上に投影される。この場合、ウエハ３
のアライメントマーク１１の存在しない所へスリ
ツト像が投影されたときは、像はウエハ３表面で
全反射され、ウエハ側がテレセントリツクになつ
ているため、この反射光は往路と同じ光路を戻り
受光素子８に受光される。他方、ウエハアライメ
ントマーク１１上にスリツト像が投影されたとき
は、ウエハマーク１１の格子周期にもよるが、例
えば結像光学系２の開口数（N.A.）を0.29とし、
格子周期4μm（Ｇ線の波長をλとしてλ＝436nm
の時）とすると、０次、±１次、±２次程度の回折
光成分は受光素子８まで戻る。しかし、それより
高次の成分と散乱光は結像光学系２の開口数
（N.A.＝0.29）以上の広がりをもつため、受光素
子８に戻らない。それ故、ウエハマーク部分のコ
ントラスト低下が起こり、この低下が信号として
受光される。よつて、スリツト６をＸ−Ｙ面内で
動かすことで、マスクマーク１０とウエハマーク
１１の相対位置が受光素子８の出力の変動に基づ
いて観測される。

以上に加えて、ウエハマーク１１は２本のマス
クマーク１０に挾まれているので、その位置差を
ウエハステージに指示することでステツプアライ
メントが完了される。

このように、ウエハとウエハマークに反射率の
差がないとき、ウエハマークを従来からあるよう
な周期構造パターンとし、散乱光とある程度高次
の回折光成分とが結像光学系の開口数以上に広が
るといつた効果を主に用いて像にコントラストを
つけていた。しかし、前述の如くそのコントラス
トは弱いものである。

そこで、スリツト状照明光と周期構造パターン
（マーク）との相対走査により、マーク検出時の
コントラストをさらに良くするために、以下の実
施例においては照明光束を観察光学系、又は結像
光学系の瞳付近で帯状に分布させること、即ち出
来るだけ多くの光量を通過させるために周期構造
パターンの回折現象が顕著でない照明方向につい
てはウエハを照射する照明光（スリツト状の光
束）の開口数を制限せず、この回折現象が発生す
る照明方向については照明光の開口数を制限し、
さらに周期構造のマークからの回折光（正規反射
光を除く）のみを受光するようにした。

一般に水銀（Hg）ランプの如き照明光はレー
ザ光となり、照明系で開口数を小さくする（瞳面
での照明光束の断面積を絞る）と光量の低下が起
こつて不都合となるが、本実施例では一方向のみ
について照明光束の開口数を制限するとよいとい
う利点を利用している。こうして帯状に制限され
た照明光下でマスクアライメントマーク及びウエ
ハアライメントマークから反射して戻つてくる結
像光線とも言える回折光は、マスクアライメント
マーク及びウエハアライメントマークの周期が適
当に決められているなら、上記瞳付近に反射型帯
状遮光板を設けることによつて再び一次以上の回
折光と正反射（正規反射）の０次光とに分離され
うる。このことは両テレセントリツクなら勿論可
能だが、像（ウエハ）側のみテレセントリツクな
光学系でも可能である。

以上の如き原理に従うと、周期構造パターンか
らの回折光がコントラスト良く検出できるアライ
メント信号検出光学系が種々得られる。

ここで、既述の装置に反射型帯状遮光板を加え
て良好なコントラストを実現する形式の一実施例
の説明に移る。

第４図ａに図示の実施例において、瞳位置５の
近傍には反射型遮光板５ａが光軸に対して傾斜し
て設置されている。この反射型遮光板５ａは照明
光束側からは帯状遮光板としての働きをし、帯状
開口部以外は鏡面となつていて照明光束を結像光
学系２の瞳で帯状分布に制限すると共に、受光素
子８に対して反射結像系を作つている。反射型遮
光板５ａのＹ軸両方向から見た様子は第４図ｂに
示され、そしてウエハ３面上の周期構造アライメ
ントマーク１１の周期方向（ｙ方向）を直交する
ｘ方向に帯状にのびた照明光束を制限する遮光板
５ａとウエハアライメントマーク１１との空間的
な関係は第５図ａに示されている。

そしてウエハアライメントマーク１１とマスク
アライメントマーク１０との関係は、焼付のため
の結像光学系（投影レンズ）２の倍率を考慮し、
略々ウエハアライメントマークの倍率倍の形状に
マスクアライメントマーク１０ａは形成されてい
る（第３図ｄ参照）。なお、ここではマスクアラ
イメントマーク１０ａも周期構造パターン（回折
格子）とする。

さらに、ウエハ３上でアライメントマーク１１
が存在しないところからの正反射光（０次光）が
全て反射型遮光板５ａの開口部を通過するよう
に、スリツト像を作る照明光束が瞳中心帯を通過
するように設計されている。しかし、ウエハアラ
イメントマーク１１が存在するところに照明スリ
ツト像が照射されたときに生ずる反射光について
は、±一次以上の回折光は反射型遮光板５ａの反
射面に当たり、０次光のみしか帯状開口部から通
過しないようにウエハアライメントマーク１１の
周期と遮光板５ａの構造が決められている。例え
ば周期4μmのウエハマーク１１に垂直入射する光
線に対して一次回折光は開口数にして約±0.1程
度の広がりであるから、この場合は結像光学系２
の射出瞳、即ち照明光の回折光発生方向に関する
開口数が±0.1以下になるように反射型遮光板５
ａの構造を決めればよい。

従つて、スリツト像はウエハ３上でアライメン
トマーク１１の存在しないときは全反射し、反射
型遮光板５ａの帯状開口部（中心部）を通つてそ
のまま通過し光電検出はされない。

しかし、ウエハ３上にアライメントマーク１１
があるときは散乱と回折を起こし、回折光の大部
分は反射型遮光板５ａの鏡面に到達してそこで反
射して受光素子８に入り、これがアライメント位
置信号となる。マスクアライメントマーク１０ａ
についても同様である。

本実施例によりコントラストが増大したことは
第６図に示されている。即ち、アライメントマー
ク信号Ｓとウエハ全反射面の背景信号Ｂとの比
は、第１図、第２図に示した基礎技術の場合にお
ける第６図ａに図示のものから第６図ｂに示され
たものに増大している。

尚、第５図ｂに示すように、ウエハアライメン
トマーク１１ａの格子が或る角度例えば45゜傾斜
せざるを得ないときは反射型遮光板５ａも45゜傾
く。

以上、第４図に示した実施例においては、観察
用面光源部９、コンデンサーレンズ９ａ、照明ス
リツト６、及び反射型遮光板５ａの帯状の開口部
が、本発明の照射手段に対応し、反射型遮光板５
ａの鏡面と受光素子８とが本発明の光電受光手段
に対応している。

以上本発明においては、物体面に一方向に伸び
たスリツト状照明光を形成し、物体上にはこのス
リツト状照明光の長手方向に沿つて周期構造の微
小パターンの複数を一直線上に配列した回折格子
パターンを設け、スリツト状照明光と回折格子パ
ターンとを相対走査し、回折格子パターンからの
正規反射光を除く回折光を検出するようにした。
かかる本発明によれば、周期構造の微小パターン
の複数が同時にスリツト状照明光に照射され、回
折光の発生効率が格段に高められ、光電検出時の
Ｓ／Ｎ比、即ちマークの検出コントラストが向上
するのである。

さらに本発明ではテレセントリツクな結像光学
系（投影レンズ）の瞳面での照明光束が帯状分布
にされるため、結像光学系を射出して物体（ウエ
ハ）をスリツト状に照明する照明光束の開口数を
方向によつて異ならせることができる。このこと
は、周期構造の微小パターンの複数からの回折光
と正規反射光とを系の瞳で分離する点からも極め
て好都合なことである。それは、照明光束の瞳面
での帯状分布の長手方向を周期構造パターンから
の回折光の発生方向と直交した方向にすることが
できるからである。

以上の通りであるから、本発明によれば、第１
に、Siウエハ上のSiO₂パターンのように明視野
ではコントラストが弱いパターンからの結像光で
も暗視野に於いてコントラストが強調でき、信号
として十分向上されえ、従来困難とされていたア
ライメントが達成されるといつた効果が得られ
る。

第２に、スリツト状の照明光をウエハに照射す
る場合にHgランプの如き光束の広がる光源を用
いた照明系であつても、瞳位置では照明光束の一
方向（マークからの回折光の発生方向、もしくは
微小パターンの配列方向）のみに関して開口数を
制限するだけでよいので、光量を多量にとれて、
レーザを瞳の中心光束として送光する光学系装置
と同等の効果が期待できる。勿論レーザ光源等を
用いてもよい。

第３に、本発明はIC投影露光装置のアライメ
ント装置のみならず、広く半導体製造分野でレー
ザ以外の光源を用いて回折光を検出する光学系に
応用でき有効な検出系を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明の基礎となるアライメ
ント装置の一例を説明する図、第３図ａ，ｂ，
ｃ，ｄはウエハアライメントマーク、照明スリツ
ト及びマスクアライメントマークを示す拡大図、
第４図は本発明の一実施例を説明する図、第５図
は反射型遮光板とウエハアライメントマークの空
間的な関係を示す図、第６図は第１図、第２図の
アライメント装置と本発明のアライメント装置と
のマーク検出時のコントラストの差を比較するグ
ラフ図である。 ［主要部分の符号の説明］ ２…結像光学系
（投影レンズ）、３…ウエハ、４…マスク、５ａ…
反射型遮光板、６…スリツト、１０，１０ａ…マ
スクのアライメントマーク、１１，１１ａ…ウエ
ハのアライメントマーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体上に形成されたアライメント用のマーク
   からの光情報を、少なくとも物体側がテレセント
   リツクな結像光学系と、該結像光学系の入射瞳に
   共役な瞳面を有する観察光学系とで検出するアラ
   イメント装置において、 前記物体上のマークを照明するために光源から
   出射した照明光束を、前記観察光学系の瞳面を通
   つて前記結像光学系の入射瞳上に結像する照明系
   と； 該光源と前記観察光学系との間に配置され、前
   記照明光束を前記物体上で一方向に伸びたスリツ
   ト状の照明光束に形成するスリツト化部材を設け
   ると共に、前記アライメント用のマークは、前記
   スリツト状照明光の長手方向に沿つて周期構造の
   微小パターンの複数を一直線上に規則的に配列し
   た回折格子として形成し； さらに、前記スリツト状照明光と前記周期構造
   の微小パターンとを、該スリツト状照明光の長手
   方向と該微小パターンの配列方向とを略一致させ
   た状態で相対的に走査する走査手段と； 前記観察光学系の瞳面における前記照明光束を
   前記マークからの回折光の発生方向と直交する方
   向に延びた帯状分布に制限する制限部材と； 前記スリツト状照明光の照射により前記マーク
   から生じて前記観察光学系に戻つてくる光情報の
   うち、正反射光以外の回折光を前記結像光学系の
   入射瞳と略共役な位置で抽出し、かつ又前記照明
   光束の光路から分岐した位置で受光する光電受光
   手段と； を設けたことを特徴とするアライメント装置。 ２ 前記制限部材は、前記照明光束の前記観察光
   学系の瞳での帯状分布を、該回折格子の微小パタ
   ーンの配列方向と略直交した方向に制限する帯状
   透過領域を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のアライメント装置。