JPH02194303A - マーク位置測定装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はマーク位置測定装［Ｕに係り、特に、ＬＳＩ等
の半導体素子製造用の露光装置でウェハ上にパターンを
露光する時に、ウェハ上に設置プだマーク位置を検出し
てウェハの位置決めを行うマーク位置測定装置に関する
。

（従来の技術） 近年、Ｌ　Ｓ　Ｉ等の半導体素子の回路パターンの微細
化に伴い、パターン転写手段どして、高解像性能を有す
る光学式投影露光装貿が広く使用されるようになってい
る。この装置を用いて転写を行う場合、露光に先立って
マスクとウェハとを高精度で位置合わせ（アライメン１
〜）する必要がある。

アライメン１〜を行う方法としては、投影光学系とは胃
なる他の光学系（ｏｆｆ−ａｘｉｓ顕微鏡）を用い、つ
■ハ十に予め形成されたマークを検出してウェハを位置
決めし、その後つ■ハを投影光学系の祝野内の所定の（
Ｉ′７胃に高精庶に移動さゼて予めｊ１確に位置決めさ
れたマスクとのイＱ置合わせを間接的に行うｏｆｆ　　
ａｘｉｓ方式と、マスクとつＪハに予め形成された位置
合わせマークを投影光学系を通して検出し、直接マスク
どつＩハどを位置合わせ覆るＴ−１”’　Ｌ、　（１旧
’０１すｈ　　Ｔｈｅ　　１ｅｎｓ　）６式とがある。

第８図は前記した。ｆｆ−ａｘｉｓ方式にＪ、る従来の
振動］す光電＠微頂を示１構成図である。この図におい
（，１は光源、２，４．６は集束レンズ、３は集束レン
ズ２．／１間の光軸十に配設したスリブ１〜（第１？−
り部）、５）は集束レンズ４，６間に配設したガルバノ
ミラ−７，８，９はガルバノミラ−５を振動さける発振
器とドライバとミラ駆動機ｕ４．１０はハーフミラ−１
１１はミラ−１２，１３はレンズ系、１４は測定対象物
（例えばウェハ）１５十に形成されるスリブ１−３に対
応した直線状のマーク（第２マーク部）、１６は光電変
換索子、１７は増幅器、１８は周期検波回路、１９は指
示メータである。

この振動型光電顕微鏡では、光源１から出用した光は、
集束レンズ２を通してスリブ１〜３（第９図参照）を下
方から照明する。そして、スリット３を通過した光線Ａ
１は、集束レンズ４を通してガルバノミラ−５で反則さ
れ、更に、集束レンズ６を通してハーフミラ−１０（′
反射されてレンズ系１２によりマーク１／Ｉ（第１０図
参照）十に入ｒＡ覆る。この時、発振器７、ドライバ８
、ミラー駆動機構９によりガルバノミラ−５を振動さゼ
ることによって、マー９１／４十に入射づる光線△１も
振動する。よつＣ、マーク１４トにはその形状に応じた
スリブ１〜３の像が振動状態で略重なり合う。そして、
振動状態で入射づ−る光線△τはマク１４十で反射し、
その反射光Ａ２は、レンズ系１２、ハーフミ′７−１０
を通ってミラー１１で・反射２３れレンズ系１３を通し
て光電変換索子１６に入ＩＪ＝＋づる。

光電変換素子１６からの出力は増幅器１７で増幅され、
周期検波回路１８を介して指示メータ１９に出力される
。この時、光電変模索子１６の出力（、Ｌ、光線Δ１か
振動し−（いるのでマーク１４　十の（’ｆ／置により
その信号波形は異なる。信号波形の変化をマーク１／ｌ
十の位置Ｘに対しでホりと第１１図（ａ）、（ｂ）のよ
うになる。即ち、４８号波形は振動周波数と等しい周波
数、或いはイの倍周波数の＋ｉ＋　ＩＩＩＪイｉ８号ど
イＣす、例えｔ；ｆ　マーク１／Ｉ上の位置Ｘがスリブ
１へ３の振動中心位置に一致する時（図で１．１−にか
らｔ）番に１の信号波形）に振動周波数の２１８になり
、基本周波数成分ａＷは零となる。

このＪ、うに、振動型光電顕微鏡は、基本周波数成分が
零になる位置を電気的に検出するものである。この基本
周波数成分の変化のイ１方（出ツノ特性曲線）は、スリ
ット３、マーク７４の幅及び振動振幅等によっ（変化覆
るが、前：ｊ！　シたように、マク１４の１）ｌ置がス
リブ１へ３の振動中心に一致すると基本周波数成分ａＷ
は零となり、この前後で符号が逆転するので、ゼロメー
タによる検出やザーボ系の駆動には適している。尚、光
電変換素子１６から出力される信号の中から基本周波数
成分のみを取出し、２倍の振動周波数成分を消去してし
まうことは、同１９］検波回路１８により容易に実現さ
れる。

（発明が解決しようとする課題） ところで・、Ａｒ１記した従来の振動型充電顕微鏡を、
例えば、半導体パターンをつＪハ上に露光Ｊる露光装置
のつＪ−ハ位胃決めに使用した場合、般に、露光された
第１層目のパターンと第２層口のパターンとを目視観察
（顕微鏡による観察）し、その結果からパターン露光後
の総合的な位ＰＩ決め測定を行っていた。或いは、レー
ザ干渉測長系等によりウェハに露光される第１層目のパ
ターンの座標を測定した後、第２層目のパターンの座標
を測定し、その測定値の差（即ち、設計値からの差）に
よってパターン露光後の総合的な位置決め測定を行って
いた。

しかしながら、この場合、りＴ　１層と第２層のパター
ンの各座標を別々に測定してその差を求めるので測定誤
差が生じ易く、ウェハ位置決め精度が悪＜４「る。また
、各層にパターンを露光する時にウェハが載置されるテ
ーブルを移動させるのでつ［ハ位首決めに誤ジζが４１
．ｇじ易い。

本発明は」二記した課題を解決する目的でなされ、測定
対象物上に形成されるマ〜り位置関係を高精度に測定で
きるマークイｌ装置測定装置を提供しようとするもので
ある。

［発明の構成１ く課題を解決するだめの手段） 前記した課題を解決するために本発明は、光源と、少な
くとも２つのマークで構成される第１マーク部と、測定
対象物上に前記第１マーク部の各マークに対応して設（
プた少なくとも２つのマークで構成される第２マーク部
と、前記光源からの出射光で前記第１マーク部を照明す
ることによって前記第１マーク部の各マークを通過する
光を前記第２マーク部の各マークに導く光学系と、該光
学系を通して前記第２マーク部の各マーク上に導かれる
光を周期的に振動させる振動手段と、前記第２マーク部
の各マーク上に入射する周期的に振動している光の反射
光を受光してその反射光の振動と対応した電気信号に変
換する光電変換手段と、該光電変換手段へ入射する前記
反射光を選ＩＲ分＃１する選択分離手段と、前記光電変
換手段からそれぞれ出力される前記反射光の振動に対応
した信号を前記振動手段による振動に周期させて検波す
ることにより前記第１７−り部の各マークの相対位置に
対する前記第２マーク部の各マークの相対位置のずれを
算出する演算手段とを具備したことを特徴とする。

（作用） 水炎゛明によれば、第２マーク部の各マーク上に第１マ
ーク部の各マークの振動している像を重ね合わせ、その
反射光をそれぞれ選択して光電変換素子に入射させて、
光電変換手段からの出力を周期検波することにより、第
２マーク部の各マークの位置関係が直接高精度に測定さ
れる。

（実施例） 以下、本発明を図示の第１実施例に基づいて詳細に説明
する。尚、従来と同一構成部材には同一符号を付しで説
明する。

第１図は本発明に係るマーク位置測定装置を、半導体パ
ターンをウェハ上に露光する露光装置のウェハ位置決め
測定に適用した場合の構成図である。この図に示すよう
に、＋−Ｅ　Ｄ等の光源１と測定対象物であるウェハ１
５間には、第１マーク部３と光学系２０とガルバノミラ
−５が配設されている。

第１マーク部３は、間隔ｍ　ｌ　（ｍは光学倍率）で平
行に配置された２つのスリット状の第１マーク３ａ、３
ｂで構成されている（第２図参照）。

光学系２０は、集束レンズ２．４．６とハーフミラ−１
０とレンズ系１２とで構成されており、ガルバノミラ−
５は、発振器７とドライバ８とミラー駆動機構９により
所定の周期で振動する。また、ウェハ１５上には、第１
マーク部３の第１マーク３ａ　、３ｂに対応した直線上
の第２７−ク１４ａ。

１４ｂで構成される第２マーク部１４が設置ノられてい
る（第３図参照）。第２マーク部１４について詳細する
と、例えば第１層目の露光時に一方の第２７−ク１４ａ
を形成して、第２層目の露光時に他方の第２マーク１４
ｂを形成する。この時、第１層目に対しては通常のアラ
イメントを行い、設計上、一方の第２マーク１４ａに対
して他方の第２マーク１４ｂを愛だけ離して形成するが
、実際には誤差へ愛があるので第２マーク１４ａ、１４
ｂは（ｌ＋△ｉ＞の間隔で形成される。つまり、この時
の誤差△斐を検出することにより、第１層目と第２層目
のずれ（アライメント誤差）を測定することができる。

尚、光源１、第１マーク部３．ガルバノミラ５、第２マ
ーク部１４、光学系２０は、光源１からの出射光による
照明で第１マーク３ａ　、３ｂを通過した各層ａ１．ａ
２が、ガルバノミラ−５、ハーフミラ−１０で反射され
て第２マーク１４ａ。

１ｉ上に入射するように配置されている。

また、第２マーク部１４のマーク１４ａ、’ｌｌ１〕（
こ入１＋１　する光ａｌ、ａ２の反則光ａ１．ａ４が光
電変換素子１６に入射するように、ミラー１１どし・ン
ズ系１ご３が配置されている。光電変換索子１　Ｇに［
；ｉ　Ｊｉｏ）ψ１ｌｆｆｉ’Ｌ　１７．１ｉＩＪ　Ｉ
！！Ｉ　検波回路１８、ｉｔ、ＩＩ　１２１１１Ｕ回路
２１か接続され、」、た、レンズ系１３３と光電変換ｄ
＋　’ｈ′１６の間には、反ＩＩ）ＩＩ光ａ３　、ａ４
のどちらか一方を選択弁１ｉｆｔ　Ｌ−ｕ光電変換索子
１６に受光ざμるしばり２２が配Ｈｐされており（第４
図参照）、しぼり２２はしぼり駆動機構２３、ドライバ
２４にＪ、り動作づ−る。尚、ガルバノミラ−５ｊの振
動としばり２２の動作は制御回路２１にＪ、って制御さ
れる。

このように、本例（・は第２マーク１４ａ、１４］）−
１に導かれる光ａｌ、ａ２を周期的に振動させる振動手
段どしてガルバノミラ−５が使用され、また、光電変換
索子１６へ入射づる反射光ａ３゜ａ４を選択分離する選
択分離手段としてしばり２２１）（使用され、更に、光
電変換素子１６から出力されるイｎ　＋：から第２マー
ク部１／１の各マークの相対イ）”ｌ置のずれを紳出−
する演算手段とて周期検波回路１８が使用されている。

次に、前記した本発明に係るマークイ０置測定装首の動
作について８１明り−る。

先ヂ、）Ｉ′、源７からの出Ｑ・）光−（゛凭東レンズ
２４通して第１マーク部３の第１マーク３ａ、３ｂを照
明する。第１マーク３ａ、３ｂを通過した各層ａ、ａ２
は、集束レンズ４を通してガルバノミラ＝５で反射され
、更に、集束レンズ６を通しくハフミラー１０で反射さ
れレンズ系１２を通しＣつ丁ハ１５１に形成した第２マ
ーク部１４の第２マーク１４ａ、１４ｂに人則する。こ
の１＋、ｌ、、光ａ、ａ２は、発振器８、ドライバ９、
ミラー駆動機構１０によって振ｖＪ？ｌるガルバノミラ
−５により振動しでいるので、第２マーク１４ａ、１ｌ
ｂ−Ｆに振動状態で入射づる。よって、第２マーク１４
ａ、ＩｚＨ十にはその形状に対応した第１ｖ／り３ａ、
３ｂの像が振動状態で略重ｔ’Ｔ−り合う。

ぞしで、第２マーク１４ａ、１４１）に入射した光ａＩ
、ａ２はその表面で反射し、その反射光ａ３、ａ４はレ
ンズ系１２、ハーノミンー１０を通し−（ミラー１１で
反射されレンズ系１３を通して光電変換索子１（３に人
則り−る。この時、ドライバ２３、しばり駆動機構２／
Ｉによりしぼり２２を動１１させ（反射光ａ２を遮る位
置に移動させ、反射光ａ１だ（ノを光電変換素子１６に
入射さゼる。そしく、この時に光電変換索子１６から出
力される信号を増幅器１７で増幅して周期検波回路１８
で周期検波処理することにより第１７−ク３ａと第２７
−９１４ａどの相対位ｚ１を検出し、制御回路２１から
構成される装置ずれ情報に基づいて周期検波出力が零に
イ「るようにつｒハコ５の位置を修ｉ［−づ−る。この
修ＩＩはウェハ１５をその上面に固盾りるウーｌハフー
ープル（不図示）の零点サーボ等により容易に達成でき
る。

イの後、今後は反則光ａ１を遮る位置にしぼり２２を移
Ｅｌさせ−て反射光ａ２だけを光電変換素子１６に人！
）Ｉさけ、増幅器１７、周期検波回路１８に、Ｊ、り光
電変換素子１６から出力される信号を周期検波処理して
第１７−り３１）と第２マーク１４ｂどの相夕ｔ　（１
′／置を検出することによって、第１層目と第２層目の
アライメン１へ誤差が測定Ｃ″さ−６３゜つまり、周期
検波回路１８で周期検波処理ε＼れた時のマーク位置検
出の特ｆ１曲線は第５図のＪ、うになる。この図で、実
線し１は第１７−ク３ａと第２７−ク１４．８との小な
り状態を示し、破線１−２は第１７−ク３ｂと第２マー
ク１４ｂの重４ｊり状態を示しており、Ｌｌ　と１２は
アライメン１〜誤差△ａだけずれている。

第６図は本発明に係るマーク位置測定装置の第２実施例
を示す構成図である。本例では、光電変換索子１６に入
射する反射光ａ３　、ａ４を選択して分離するしぼり２
２を、第１マーク部３ど集束レンズ４との間に配置し、
ドライバ２３、しぼり駆動機構２４でしぼり２２を動作
させる構成である。他の構成は前述した第１実施例と同
様である。

このＪ：うに、本例では第１マーク３ａ、３ｔ、＋を通
過した光ａ、、ａ２をしぼり２２により選択分前してど
ちらか一方を遮るようにしたので、第２マーク１４ａ、
１４ｂからの反射光ａ３．ａ４が選択されて光電変摸索
子１６に入射される。そしＣ１前記同様光電変換素子１
６からの出力をそれぞれガルバノミラ−５の振動に周期
させて検波することにより、第１マーク３ａ　、３ｂの
相対位置にス、ｊ１する第２マーク１／ｌａ、１４ｂの
相対位置のン「れ（アライメント誤差△愛）が測定でき
る。

第７図は本発明に係るマーク位置測定装置の第３実施例
を示づ一構成図である。本例では、しほり２２の代りに
光源１と第１マーク部３との間に、光源１からの出射光
を第１７−ク３ａ　、３ｂの１ｊへ選択して照明づる照
明選択機構２５を設【ノた構成である。この場合、照明
選択機構２５としては、例えば音響光学偏向素子や光学
偏向素子が用いられる。照明選択機構２５は、制御回路
２１ににる制御にＪ：リドライバ２６を介して動作され
る。

他の構成は前記した第１実施例と同様である。

このように、本例では光源１からの出射光を第１７−り
３ａ、３ｂの一方へ選択して照明するようにしたので、
第２マーク１４ａ、１４．ｂからの反射光ａ３　、ａ４
が選択されて光電変換素子１６に入射される。そして、
前記同様光電変換素子１６からの出力をそれぞれガルバ
ノミラ−５の振動に周期させて検波することにより、第
１７−ク３ａ、３ｂの相対位置に対する第２マーク１４
ａ。

１４ｂの相対位置のずれくアライメント誤差△斐）が測
定できる。

このように、ウェハ１５」二の各第２マーク１４ａ、１
４．ｂの相対位置ずれ（アライメント誤差）を測定する
時に、ウェハ１５を固着するウェハテーブル（不図示）
を移動させる必要がないのでウェハテーブル（不図示）
の位置決め精度に影響されることはなく、高精度のアラ
イメント誤差定が行える。

尚、前記各実施例では、第２マーク部１４をウェハ１５
の第１層目と第２層目に形成した例であったが、例えば
第２層目と第３層、第３目と第４層目の場合でも全く同
様にアライメント誤差が測定できる。

また、光電変換素子１６へ入射する反射光を選択分離す
る選択分離手段としては、第１乃至第３実施例に示した
ように、光電変換素子１６の直前Ｃ選択分離１−るもの
、或いは、第１マーク部３を通過した後の光を選択分離
するもの、更には、第１マーク部３に入射ザる光を選択
分離して、結果どして光電変換素子１６へ入ｏＡ？ｌる
反射光を選択分離するもの等が用いられ、これらの要旨
を逸脱しない範囲で秤々変形して用いることができる。

［発明の効果］ 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように本発明
にＪこれば、測定対象物上に形成した少なくども２つの
マークの位置関係を直接測定することができる。従って
、従来のように、−回毎にマークを形成した測定対象物
を移動させて各マークの座標を検出して位置合わせする
必要はなくなるので、マークの座標測定精度や測定対象
物の移動に伴う位置決め精度の影響を受けることなく、
高精度なマーク位置関係を測定ザることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマーク位置測定装置を示ず構成図
、第２図は第１マーク部を示す平面図、第３図は第２マ
ーク部を示す平面図、第４図はしぼりを示す正面図、第
５図は各マークの相対位置のずれを示すグラフ、第６図
及び第７図はそれぞれ本発明の他の実施例に係るマーク
位置測定装置を示す構成図、第８図は従来のマーク位置
測定装置を示す構成図、第９図はスリットを示す平面図
、第１０図は測定対象物上に形成したマークを示す平面
図、第１１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来のマーク位
置測定装置で得られる出力信号波形と位置検出特性を示
すグラフである。 １・・・光源　　　　　　　　３・・・第１マーク部３
ａ　、３ｂ・・・第１７−ク　５・・・ガルバノミラ−
１４・・・第２マーク部 １４ａ、１４ｂ＝・・第２マーク １５・・・ウェハ　　　　　　１６・・・光電変換素子
１８・・・周期検波回路　　　２０・・・光学系２１・
・・制御回路　　　　　２２・・・しぼり２５・・・照
明選択機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源と、少なくとも２つのマークで構成される第１マー
   ク部と、測定対象物上に前記第１マーク部の各マークに
   対応して設けた少なくとも２つのマークで構成される第
   ２マーク部と、前記光源からの出射光で前記第１マーク
   部を照明することによつて前記第１マーク部の各マーク
   を通過する光を前記第２マーク部の各マークに導く光学
   系と、該光学系を通して前記第２マーク部の各マーク上
   に導かれる光を周期的に振動させる振動手段と、前記第
   ２マーク部の各マーク上に入射する周期的に振動してい
   る光の反射光を受光してその反射光の振動と対応した電
   気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段へ入
   射する前記反射光を選択分離する選択分離手段と、前記
   光電変換手段からそれぞれ出力される前記反射光の振動
   に対応した信号を前記振動手段による振動に周期させて
   検波することにより前記第１マーク部の各マークの相対
   位置に対する前記第２マーク部の各マークの相対位置の
   ずれを算出する演算手段とを具備したことを特徴とする
   マーク位置測定装置。