JPH02147904A - 位置合わせ方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、縮小投影型露光装置のマスクとウェハとのア
ライメントに好適な位置合わせ方法に関する。

（従来の技術） 周知のように、ＬＳＩ製造時における回路パターンの形
成には、パターン転写手段として露光装置が使用されて
いる。露光装置には種々のタイプがあるが１回路パター
ンの微細化に伴って、最近では高解像性能を有する縮小
投影型露光装置が広く使用されている。この装置を用い
て転写を行なうには、露光に先立ってマスクとウェハと
を高精度に位置合わせする必要がある。

この位置合わせの方法としては、マスクとウェハとに予
め設けられた位置合わせ用マークを投影光学系を通して
検出し、これによってマスクとウェハとを直接位置合わ
せするＴ　Ｔ　Ｌ　（ＴｈｒｏｕｇｈＴｈｅ　１．ｅｎ
ｓ）　　方式が知られている。しかし、この方法では位
置合わせ周光として、露光光とは異なる波長の光（たと
えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光）を用いるため、投影レン
ズの色収差で結像位置がずれ易く、これが原因して高精
度な位置合わせが困難であった。

そこで、このような不具合を解消するために最近、第４
図に示すような位置合わせ方法が提案されている（特願
昭６３−１１６９６２号）。すなわち、同図において、
１はウェハを示し、２はマスクを示し、３はマスク２と
ウェハ１との間に配置された投影レンズを示している。

位置合わせ方向が図中実線矢印で示すＸ方向であるとす
ると。

この方法ではマスク２上のＸ方向の２箇所位置にＸ方向
とは直交する方向に延びる一次元回折格子からなる第１
および第２のマスクマーク４，５を設ける。また、ウェ
ハ１上にも回折格子からなるウェハマーク６を設ける。

そして、第１のマスクマーク４に対して周波数シフト機
構７を介して得られた露光光とは異なる周波数ｆｌのレ
ーザ光８を、また第２のマスクマーク５に対して同じく
周波数シフト機構９を介して得られた露光光とは異なる
周波数ｆ２　（ただし、ｆ１≠ｆ２）のレーザ光１０を
、各マスクマークの透過０次回折光が投影レンズ３のフ
ーリエ変換面Ｆ上に集光する関係に照射する。この照射
によって第１および第２のマスクマーク４，５から透過
回折光が得られるが。

この方法では第１のマスクマーク４からの回折光のうち
位置合わせ方向には一１次で位置合わせ方向と直交する
方向には０次の回折光αと、第２のマスクマーク５から
の回折光のうち位置合わせ方向には＋１次で位置合わせ
方向と直交する方向には０次の回折光βとをウェハマー
ク６上に集光させて干渉させる。そして、ウェハマーク
６からの反射回折光のうち、マスク２とウェハ１との相
対位置のずれ量に応じた位置ずれ情報を持つ回折光を投
影レンズ３とマスク２との間に配置されたミラー１１を
介して検出系に導き、この回折光のビート信号成分（周
波数１　ｆ、−ｆ２１）の位相変化からマスク２とウェ
ハ１との相対位置のずれ量を検出するようにしている。

ところで、このように光ヘテロダイン方式を用いた位置
合わせ方法では、マスク２とウェハ１との相対位置のず
れに伴う信号の位相変化を測定するために１位置ずれに
よって位相変化が生じないビート信号成分（周波数１　
ｆｌ−ｆ２１）、つまり基準信号を必要とする。この基
準信号を得る手段としては、上記提案のものでは、第５
図あるいは第６図に示す手法を考えている。すなわち、
第５図に示す手法では、第１のマスクマーク４および第
２のマスクマーク５から得られる反射もしくは透過回折
光をミラー１２およびハーフミラ−１３を使って光検出
器１４に導入し、この光検出器１４から基準信号Δｆ４
を得ている。そして。

前記ミラー１１を介して得られた回折光を光検出器１５
に導入して位置ずれ情報を含む検出信号Δｆ３を得、こ
の検出信号Δｆ３と基準信号Δｆ４とを位相検出器１６
に導入して両信号間の位相差Δφを求めている。なお、
求められた位相差Δφは、ＲＯＭ等に記憶されている校
正曲線と比較されて位置ずれ量に変換される。そして、
この位置ずれ口を使って図示しない制御系でマスク２と
ウェハ１とのＸ方向の位置合わせを行なうようにしてい
る。

一方、第６図に示す手法では、第１および第２のマスク
マーク４，５からの透過Ｏ次回指光γ。

δが垂直に入射するウェハ１上の位置に回折格子からな
る基準信号用ウェハマーク１７．１８を設け、この基準
信号用ウェハマーク１７，１８から得られる反射回折光
をマスク２と投影レンズ３との間に配置されたミラー１
９．レンズ２０を介して光検出器１４に導入し、この光
検出器１４から基準信号Δｆ４を得るようにしている。

しかしながら、上述した手法で基準信号を得るようにし
た上記の位置合わせ方法にあっても次のような問題があ
った。すなわち、第５図に示した方法では１位置合わせ
用光α、βがマスク２〜投影レンズ３の上面〜投影レン
ズ３〜投影レンズ３の下面〜ウェハ１といった光路を辿
るのに対して。

基準信号用光はマスク２〜検出光学系といった全く異な
る光路を辿ることになる。したがって、投影レンズ３の
上面とウェハ１との間に何らかの環境変化が起き、その
環境変化によって位置合わせ周光の位相がΔφａ変化し
、基準信号用光の位相がΔφ「変化したとすると、上記
光路の異なりによって環境変化の影響の度合いが異なる
ことがらして、Δφａ≠Δφｒとなる。これは位置合わ
せが完了した状態にもかかわらず１位置ずれが生じてい
るように観測されてしまうことになる。

一般に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を使用した場合。

３００ＩＩｌ１１の光路長に対して温度変化による光路
長変動は、０．３μｓ＋／ｄｅｇ程度であると考られる
。したがって、投影レンズ３の上面からウェハ１までの
距離を６００ｍｍ、温度変動を［１，２ｄｅｇとすると
、光路長変化は、　６００　／３００　Ｘｏ、３　Ｘｏ
、２−０．１２（μｍ）に相当し、これは位置合わせオ
フセット量として無視できない値となる。

一方、第６図に示した方法では、基準信号用光も投影レ
ンズ３の上面〜投影レンズ３〜投影レンズ３の下面〜ウ
ェハ１といった光路を辿るので。

第５図の場合に比べて環境変化の影響をあまり受けずに
位置合わせが行なえると予想される。しかし、マスクマ
ーク４，５からの位置合わせ用光α。

βと基準信号用光γ、δとの方向が違うため２両回指光
の通過位置が異なり、この結果、空気のゆらぎ等の環境
にむらがあった場合には基準信号用光γ、δと位置合わ
せ用光α、βとが受ける環境変化の影響に差が生じ２位
置合わせ誤差が生じることが予想される。

さらに２位置合わせ用光α、βと基準信号用光γ、δと
がウェハ１に入射する位置のずれ量をｇとした場合、マ
スク２上に設けられるマスクマーク４，５間の距離を２
４　ｔａｇとして、レンズ倍率をｌノ５とすると、　１
　＝２４Ｘ１１５　Ｘｌ／２−２．４　ａｍとなる。一
方、デバイス製作のために種々のプロセスを経たウェハ
１には、ウェハの表面に凹凸が存在し、さらにはレジス
トの塗布むらが存在していることが予想される。レジス
トの塗布むらがｄだけ生じた場合を例にとると、レジス
トの屈折率をｎ。

レーザー光の波長をλとしたとき、光路長変化φは、φ
−２π・ｎｄ／λとなる。今、λ−６３３　ｎａｐ。

ｎ　＝１．５　、　　ｄ　＝０．０５μ−とすると、φ
−０．７４ｒａｄとなる。この値は無視できない値であ
る。また。

ｄ　−０，０５μ厘の塗布むらは、ｊ２−２．４關離れ
た地点間では十分有り得る値である。さらに２位置合わ
せを行なうために、ウェハ１上に位置合わせ用ウェハマ
ーク６と基準信号用ウェハマーク１７゜１８とを、ある
距Ｍｌ）だけ離して設置する必要があり、これはデバイ
ス製作上、マーク個数が増えるので不利を免れ得ないこ
とになる。

（発明が解決しようとする課題） Ｌ述の如く、上記の位置合わせ方法にあっては２環境変
化の影響やウェハ表面の影響を受けて高精度な位置合わ
せが困難であった。また５位置合わせを行なうための準
備工程にも多大の時間を要する問題があった。

そこで本発明は、環境変化の影響を受けることなく、シ
かもウェハの表面状態の影響も極少に抑えることができ
、もってマスクとウニ１１とを高精度に位置合わせする
ことができ、そのうえ位置合わせを行なうための準備工
程も簡単な位置合わせ方法を提供することを目的として
いる。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、位置合わせ用マークを用いた光ヘテロダイン
方式による位置合わせ方法を対象にしている。

すなわち２本発明方法ではウェハ上に回折格子からなる
位置合わせ用ウェハマークおよびこれに隣接した位置に
基準信号用ウエノ１マークを設ける。

またマスクに互いに離間した第１および第２の回折点が
得られるように回折格子からなる少なくとも１つの位置
合わせ用のマスクマークを設ける。

そして、露光光とは異なる周波数ｆ１の光をマスクマー
クの第１の回折点に照射するとともに露光光とは異なる
周波数ｆ２　（ただし、ｆ２≠ｆ、）の光をマスクマー
クの第２の回折点に照射し、これら光照射による各マス
クマークからの回折光の一部を投影レンズを通してそれ
ぞれウェハーＬの位置合わせ用ウェハマークおよび基準
信号用ウニノーマークに同時に入射させる。位置合わせ
用ウェアＸマークからの反射回折光のうちからマスクと
ウェハとの位置ずれ情報を持つ回折光を検出し。

ｆｌ　　ｆｌ　　ｌの周波数のビート信号を得る。同時
に、基準信号用ウェハマークからの反射回折光のうちか
らマスクとウェハとの位置ずれ情報を持たない回折光を
検出し、ｌｆ、−ｆｌ　ｌの周波数のビート信号を得る
。そして、これら両信号間の位相差からマスクとウェハ
との相対位置のずれ情報を得るようにしている。

（作　用） 本発明方法によれば、位置合わせ用ウェハマークに隣接
させて基準信号用ウェハマークを設け。

マスクマークの一対の回折点からの回折光を位置合わせ
用ウェハマークおよび基準信号用ウェハマークに同時に
照射し、この照射による基準信号用ウェハマークからの
反射回折光からマスクとウェハとの位置ずれ情報を持た
ないＩｆｌ−ｆｌ　１の周波数のビート信号、つまり基
準信号を得るようにしている。

前述の如く２位置合わせ周光は、環境変化によってゆら
ぐことがあり、この影響で位置ずれ情報を持つ検出信号
の位相が乱れることがある。しかし２本発明方法では基
準信号を位置合わせ用ウェハマークに隣接して設けられ
た基準信号用ウェハマークから得ており、しかも両ウェ
ハマークに入射するマスクマークの第１および第２の回
折点からの回折光は等しいものであるため、環境変化に
よる位相の乱れは検出信号と基準信号とで等しく生じる
ことになる。したがって、双方の位相差を検出するとき
８位相の乱れの影響を相殺することができる。

さらに２位置合わせを行なうには２位置合わせ用ウェハ
マークと基準信号用ウエノ１マークとを一体化したマー
クをウェハ上に設ければよいので。

新たなマークや光学系等を追加する必要がなく。

デバイス製作上負担になることもない。

また、デバイス製作工程においてレジストの塗布むらが
生じた場合でも１位置合わせ用ウニｌ＼マークと基準信
号用ウェハマークとが隣接して設置されているので、塗
布むらによる位相ずれを極めて小さくできる。

（実施例） 以下９図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には縮小投影型露光装置のマスクとウェハとの位
置合わせに本発明方法を適用した例が示されている。

同図において１位置合わせ方向（Ｘ方向）に移動可能な
図示しないウェハテーブル上にはウェハ３１が載置され
ている。ウェハテーブルの上方位置には図示しないマス
クテーブルが配置されており、このマスクテーブル上に
はマスク３２が載置されている。そして、マスク３２と
ウェハ３１との間には投影レンズ３３が配置されている
。なお。

マスク３２は、露光波長においてウェハ３１上に結像関
係を持つように載置されている。

本発明方法では、マスク３２のＸ方向における２箇所位
置に位置合わせ用マスクマークとしての透過型の第１お
よび第２の回折格子３４．３５を設ける。回折格子３４
．３５は２位置合わせ方向。

つまりＸ方向とは直交する方向に延びる一次元回折格子
である。そして１回折格子３４．３５に対して１周波数
シフト機構３６．３７で変調された周波数ｆｌ、ｆ２の
レーザ光３８．３９を投影レンズ３３のフーリエ変換前
Ｆで集光するように照射する。この照射によって２回折
格子３４．３５からそれぞれ０次、±１次、±２次・・
・の回折光が生じる。これらのうちで回折格子３４から
得られた一１次の回折光αと９回折格子３５から得られ
た＋１次の回折光βとが投影レンズ３３を通ってウェハ
３１上の１点に集光するようにする。ただし、＋１次の
回折光が望ましいが、これに限定されるものではｔく、
高次の回折光でもよい。さらにまた、マスクマークとし
ての回折格子３４゜３５は、実質的に繋がった１つの回
折格子でもよく１周波数ｒ、、ｔ２のレーザ光３８．３
９を所定距離離れた２つの回折点に照射できればよい。

一方、ウェハ３１上で１回折光α、βが集光する点にウ
ェハマーク４０を予め設けておく。このウェハマーク４
０としては、第２図に示すように位置合わせ用ウェハマ
ークとしての市松模様の二次元回折格子４１と、基準信
号用ウェハマークとしての位置合わせ方向に延びる一次
元回折格子４２とを隣接させたものを用いる。なお、こ
の例では２回折格子４１のＸ方向のピッチＰＹＡと２回
折格子４２のＸ方向のピッチＰＹＲとはＰ　ＹＡ＄　Ｐ
　ＹＲの関係に設定されている。また１回折格子４１の
ｘ　７５向のピッチＰＸＡは９回折光α、βの方向と。

この回折格子４１からの＋１次の反射回折光の方向とを
等しくし得るピッチに設定されている。

このように構成されたウェハマーク４０を回折光α、β
が集光する点に設置すると１回折格子４１．４２から反
射回折光が生じる。この反射回折光のうち１回折格子４
１からの回折光で２位置合わせ方向には０次１位置合わ
せ方向とは直交する方向には＋１次の回折光４３をマス
ク３２と投影レンズ３３との間に配置されたミラー４４
で取出し、これを光検出器４５へ導いて検出信号Δｆ３
を得る。また１回折格子４２からの反射回折光で１位置
合わせ方向には＋１次２位置合わせ方向とは直交する方
向には＋１次の回折光４６と。

位置合わせ方向には一１次１位置合わせ方向と直交する
方向には＋１次の回折光４７とをマスク３２と投影レン
ズ３３との間に配置されたミラー４８．４９およびその
光路上に配置されたレンズ５０を介して光検出器５１へ
導いて基準信号Δｆ、、を得る。

光検出器４５．５１から得られた検出信号Δｆ３および
基準信号Δｆ４は、それぞれｆ、−ｆ２１の周波数を持
つビート信号である。

そして、検出信号Δｆ３にはマスク３２とウェハ３１と
のＸ方向の位置ずれの情報が含まれており。

また驕準信号Δｆ４には位置ずれの情報は含まれてはい
ない。そして、光検出器４５．５１の出力信号を位相検
出器５２に導き、この位相検出器５２から相互間の位相
差Δφに対応した信号を得。

この信号を使ってマスク３２とウェハ３１との位置合わ
せを行なうようにしている。

なお、上述した検出光としては、市松模様の位置合わせ
用回折格子４１からは（０，１）の回折光に限らず、（
０，±１）（ただし１ｍは整数）の回折光を検出光とし
て検出することも可能である。

同様に、−次元の基準信号用の回折格子４２からの検出
光も（−１，１）と（１，１）に限らず。

（−１，±ｎ）と（１，±ｎ）（ただし、ｎは整数）の
回折光を検出してもよい。これらを検出する場合、検出
光が露光領域に入らないことが望ましい。

このように２位置合わせ用の回折格子４１および隣接し
て設けられた基準信号用の回折格子４２に同じ回折光を
照射し、この照射による反射回折光から検出信号Δｆ３
および基準信号Δｆ４を得ているので、検出信号Δｆ３
を得るための光路と基準信号Δｆ３を得るための光路と
の条件を等しくできる。したがって１両信号間では環境
変化の影響を相殺できることになり、高精度な位置合わ
せが可能となる。また１位置合わせ用の回折格子４１と
基準信号用の回折格子４２とを隣接して設けているので
、ウェハ３〕の表面状態の影響を最少に抑えることも可
能となる。

なお、上述した実施例では回折格子４１．４２のｙ方向
のピッチをＰ　ＹＡ′４−Ｐ　ＹＲの関係にしているの
で１回折光４Ｂ、４６．４７の回折方向を完全に異なら
せることができ、これらをそれぞれ独立に検出できる。

しかし１位置合わせ用の回折格子として市松模様格子を
用いた場合には、たとえＰＶＡ−ＰＹＲとしても第３図
に示すように２回折光４３．４６．４７の方向を異なら
せることができるので何隻不都合は生じない。この場合
１回折格子４１からの反射回折光は（１，１）　、　　
（−１，１）の方向には向かわない。また、上述した実
施例ではマスクと投影レンズとの間から検出用の回折光
。

基準信号用の回折光を取出すようにしているが。

マスクに窓を３つ設け、これらの窓を通してマスクの−
Ｌ方から取出すようにしてもよい。また、各回折格子は
振幅格子１位相格子のいづれであってもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように１本発明によれば、マスクとウェハ
の相対位置情報を位相情報として持つ光と、基準信号と
の位相差を検出することによってマスク・ウェハの位置
合わせを行なう方法において、基準信号をウェハ上の位
置合わせ用マークに隣接して設けられた基準信号用マー
クから得るようにしているので、検出信号と基準信号と
に含まれる環境変化の影響分を等しくでき、しかもウェ
ハの表面状態の変動等の外乱の影響を極少とすることが
でき、この結果、高精度な位置合わせを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置合わせ方法の一例を説明する
だめの図、第２図は同方法において位置合わせ用および
基準信号用ウェハマークと入射光の方向と回折光の方向
との関係を示す図、第３図は別の位置合わせ用および基
準信号用ウェハマークと入射光の方向と回折光の方向と
の関係を示す図、第４図は光ヘテロダイン法による位置
合わせ法を説明するための概念図、第５図および第６図
は基準信号を得るための従来の手法を説明するための図
である。 ３１・・・ウェハ、３２・・・マスク、３３・・・投影
レンズ、３４．３５・・・マスクマークとしての回折格
子、３６．３７・・・周波数シフト機構、３８．３９・
・・変調されたレーザー光、４０・・・ウェハマーク。 ４１・・・位置合わせ用のマークとしての回折格子。 ４２・・・基準信号用のマークとしての回折格子。 ４３・・・検出信号としての回折光、４５．・・・光検
出器、４６．４７・・・基準信号としての回折光、５２
・・・位相検出器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスク上に形成されたパターンを投影レンズを介
   してウェハ上に転写するに先立ち、マスクおよびウェハ
   上にそれぞれ設けられた位置合わせ用のマークを用い、
   これらマークの光学的な相対位置ずれ量を求め、この位
   置ずれ量に基いてマスクとウェハとを位置合わせする位
   置合わせ方法において、前記ウェハ上に隣接させて回折
   格子からなる位置合わせ用マークおよび基準信号用マー
   クからなるウェハマークを設けるとともに前記マスクに
   互いに離間した第１および第２の回折点が形成されるよ
   うに回折格子からなるマスクマークを少なくとも１つ設
   け、上記マスクマークの第１の回折点に露光光とは異な
   る周波数ｆ＿１の位置合わせ用光を照射するとともに上
   記マスクマークの第２の回折点に露光光とは異なる周波
   数ｆ＿２（ただしｆ＿２≠ｆ＿１）の位置合わせ用光を
   照射し、これら光照射によるマスクマークの各回折点か
   らの回折光の一部を前記投影レンズを通してそれぞれ上
   記ウェハマーク上に集光させて干渉させ、上記ウェハマ
   ークからの反射回折光のうち上記マスクと上記ウェハと
   の相対位置のずれ量情報を持つ回折光を検出して｜ｆ＿
   １−ｆ＿２｜の周波数を持った検出信号を求め、これと
   同時に上記ウェハマークからの反射回折光のうち上記マ
   スクと上記ウェハとの相対位置のずれ量情報を持たない
   回折光を検出して｜ｆ＿１−ｆ＿２｜の周波数を持った
   基準信号を求め、これら検出信号と基準信号との位相差
   から上記マスクと上記ウェハとの相対位置のずれ量を検
   出するようにしたことを特徴とする位置合わせ方法。
2. （２）前記ウェハマークに入射する回折光は、前記マス
   クマークの第１の回折点からの透過＋１次（又は−１次
   ）の回折光と上記マスクマークの前記第２の回折点から
   の透過−１次（又は＋１次）の回折光とであることを特
   徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
3. （３）前記マスクマークは、位置合わせ方向に対して直
   交する方向に延びる一次元回折格子であることを特徴と
   する請求項１に記載の位置合わせ方法。
4. （４）前記ウェハマークにおける位置合わせ用マークは
   、前記マスクマークからの±１次回折光の入射方向とこ
   の位置合わせ用マークからの±１次の回折光の方向とを
   等しくする位置合わせ方向ピッチを持つ市松模様の二次
   元回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の位
   置合わせ方法。
5. （５）前記ウェハマークにおける基準信号用マークは、
   位置合わせ方向に延びる一次元回折格子であることを特
   徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。