JPH02222520A - 露光装置のアライメント装置 - 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、例えば半導体装置の回路パターン等を製造す
る際に用いられる露光装置のアライメント装置に関する
ものであり、特にモアレ信号を用いて原画パターンと被
露光体とのアライメントを行うアライメント装置の改良
に関するものである。

（従来の技術） 従来、この種のアライメント装置としては、例えば特開
昭６３−２８５４０４号公報に記載されているようなも
のが知られている。これによると、共通の光軸上に所定
間隔を置いて第１の基板（レチクル）と第２の基板（ウ
ェハ）とを配設し、格子配列が幾何学的に異なる一対の
回折格子から成る第１のアライメントマーク（第１の格
子体）と格子配列が一様の回折格子から成る第２のアラ
イメントマーク（第２の格子体）とを夫々両基板に形成
し、投影レンズ（縮小レンズ）を介して前記第２のアラ
イメントマークにＩＴ　ｅ　−Ｎ　ｅレーザ等の可干渉
光としてのレーザ光を照射し、前記第２のアライメント
マークの反射光の像を前記第１のアライメントマークに
重畳することにより得られる互いに位相が１８０度異ｌ
６二つのモアレ信号を一つのセンサ（イメージセンサ）
により検出し、該両モアレ信号に基づき得られ両基板の
アライメント誤差に応じたモアレ変位信号により前記両
基板のアライメン）・を行うようにしたものが開示され
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、かかる従来技術の構成によると、モアレ
信号を検出するためのセンサの出力信号には、アライメ
ント用の光源であるレーザ光のポイントスタビリテイ（
指向安定性）の不良に起因したり、基板を載置するステ
ージのレベリング（傾き）に起因したりする誤差成分が
含まれており、モアレ変位信号の信頼性が低く、アライ
メントの精度の向上に限界があった。

なお、第７図は前述のポイントスタビリテイ（指向安定
性）を説明するものであり、レーザヘッドＬＨから出射
したレーザ光は熱環境等の影響を受けて指向角度αを有
する。したがって、レーザヘッドＬＨから所定距離０だ
け離れた位置に、例えば前記モアレ信号を検出するセン
サＳを配置すると、該センサＳで受光されるレーザ光の
照射中心はδ＝Ωαだけのずれを有し、その分がモアレ
信号の誤差成分となる。イ１言すれば、第８図に示すよ
うに、レーザ光の光量はレーザ光の照射中心０について
ガウス分布をしており、該照射中心ＯとセンサＳの受光
中心とが一致している場合（実線で示す場合）には照射
中心Ｏかも左右の対称位置Ｗｌ、Ｗ２に亘る範囲の光量
はいずれも等しいが、照射中心ＯがセンサＳの受光中心
からδだけずれた場合（破線で示す場合）には、δに応
じた分だけ照射中心○から左右の対称位置Ｗｌ、Ｗ２に
亘る範囲の光量は非対称となる。

本発明は、かかる従来技術の課題を解決すべくなされた
ものであり、モアレ信号の誤差成分を除去し、高精度の
アライメントを行えるようにした露光装置におけるアラ
イメント装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成すべく、本発明は、所定間隔を置いて第
１の基板と第２の基板とを配設し、前記第１の基板に中
央に離間帯を有し該離ｒｌｒ１帯を挾んで、第１回折格
子と第２回折格子を形成して成る第１のアライメントマ
ークを形成し、前記第２の基板に前記第１のアライメン
トマークの第１回折格子と第２回折格子に対応して位相
の異なるモアレ信号を発生させる格子配列の回折格子か
ら成る第２のアライメントマークを形成し、前記第２の
アライメントマークに、投影レンズを介して可干渉光を
照射し、前記第２のアライメントマークの反射光の像を
前記第１のアライメントマークに重畳することにより互
いに位相の異なる二つのモアレ信号を検出し、該両モア
レ信号の差分に応じたモアレ変位信号に基づき前記両基
板のアライメントを行うようにした露光装置のアライメ
ント装置において、前記両モアレ信号を各別に検出する
第１のセンサと、前記両モアレ信号を検出する前の位置
で前記一対の回折格子の各位相の異なるモアレ信号を発
生する回折格子領域への照射に対応する前記可干渉光の
光量を各別に検出する第２のセンサと、前記両センサの
出力に基づき前記モアレ変位信号を抽出すべく演算する
演算処理回路とを設けたことを特徴とする。

（作用） 第１のセンサの出力及び第２のセンサの出力に基づく演
算を行うことにより、可干渉光のポイントスタビリテイ
やステージのレベリング等に起因し、第１のセンサから
得られるモアレ信号に重畳した誤差を除去したモアレ変
位信号が抽出できる。

（実施例） 第１図は本発明に係るアライメント光学系の第１実施例
の構成を示すものであり、本実施例に係る露光装置（例
えばステッパ）は、第１の基板としてのレチクル１のパ
ターンを、投影レンズとしての縮小レンズ２を介してＸ
Ｙステージ３に載置された第２の基板としての半導体ウ
ェハ４に投影するようになっている。ここで、ＸＹステ
ージ３は少なくとも光軸Ｚ１と直交するＸＹ力方向移動
可能な移動手段を備えている。

前記レチクル１の周縁部には、第２図（ａ）に示すよう
に、明部としての離間帯ｒを挾んで互いに幾何学的に格
子配列の異なる一対の反射型回折格子（以下一方（同図
の左方）を第１回折格子に１、他力（同図の右方）を第
２回折格子に２という）から成る第１のアライメントマ
ーク６が形成され、前記ウェハ４の周縁部には、第２図
（ｂ）に示すように、−様の格子配列を有する第３格子
に３から成る第２のアライメントマーク７が形成されて
いる。両アライメントマーク６．７はＸＹ力向の各々に
−組み宛形成されているが、ここでは一方向く例えばＸ
方向）についてのみ説明する。

なお、前記第１格子Ｋｌと第３格子に３とにより得られ
るモアレ信号と前記第２格子に２と第３格子に３とによ
って得られるモアレ信号とは、互いに１８０度の位相差
を有するようになっているので、以下前者をＯ度モアレ
信号、後者を１８０度モアレ信号という。

一方、前記両アライメントマーク６．７を結ぶ光軸Ｚ２
上には第１ハーフミラ−８が配設され、該光軸Ｚ２の延
長上には全反射ミラー９が配設され、該全反射ミラー９
により屈折された光路上には結像レンズ１ｏを介して第
１の二分割センサ１１が配設されている。また、前記第
１ハーフミラ−８により屈折される光路上には第２ハー
フミラ−１２を介して可干渉光光源としてのＨｅ−Ｎｅ
レーザ等のレーザヘッド１３が配設されている。

そして、該第２ハーフミラ−１２により屈折された光路
上には第２の二分割センサ１４が配設され、前記第１の
二分割センサ１１及び第２の二分割センサ】４の出力は
演算処理回路Ｊ５に供給される。

この場合、第２ハーフミラ−１２の傾斜の方向は、レー
ザヘッド１３からのレーザ光の一部が第２の二分割セン
サ１４に入射するように該レーザ光を屈折させると共に
、他の一部が第１ハーフミラ−８に入射するように該レ
ーザ光を通過させるべく設定される。

第３図は前記演算処理回路１５の（構成の一実施例を示
すものであり、前記第１の二分割センサ１１の一方の出
力、すなわち前記第１格子に１と前記第３格子に３とに
よる０度モアレ信号は増幅器１６に供給され、前記第２
格子に２と前記第３格子に３とによる１８０度モアレ信
号は増幅器１７に供給され、画情幅器１６．１７の出力
は差動増幅器１８の両入力端に夫々供給される。また、
前記！ｆ１２の二分割センサ１４の一力の出力、すなわ
ち前記第１格子に１の照射に寄与するレーザ光による出
力は増幅器１９に供給され、ｎ（１記第２格子に２の照
射に寄与するレーザ光による出力は増幅器２０に供給さ
れ、画情幅器１９．２０の出力は差動増幅器２１の両入
力端に夫々供給される。

さらに、両差動増幅器１８．２１の両出力は差動増幅器
２２の両入力端に夫々供給される。

次に上記のように構成された第１実施例によるアライメ
ントにつき、各種のパターンを有するレチクル１を順次
同一のウェハ４上に重ねて投影する場合を例として第４
図及び第５図を参照しながら説明する。

まず、ウェハ４をＸＹステージ３上に載置し、所定のパ
ターンを有するレチクル１を図示しないステージに載置
する。

続いて、レーザヘッド１３からのレーザ光を第２ハーフ
ミラ−１２、第１ハニフミラー８、投影レンズ２を介し
てウェハ４上の第２のアライメントマーク７に照射する
。これにより、該第２のアライメントマーク７で反射し
た光は再び投影レンズ２を通過し、ハーフミラ−８、第
１のアライメントマーク６、全反射ミラー９、及び結像
レンズＩＯを介して第１の二分割センサ１１に入射する
。

その結果、第４図に示すように、レーザ光の照射中心と
第１の二分割センサ１１の受光中心とが一致している場
合、第１のアライメントマーク６と第２のアライメント
マーク７の反射像とから、両アライメントマーク位置を
表す方向に対して１８０度の位相差があることを除き対
称な０度モアレ信号、及び１８０度モアレ信号が第１の
二分割センサ１１から得られる。この場合、両モアレ信
号曲線Ｍｏ、Ｍπの交点で決まる位置ｐｏがレチクルｌ
とウェハ４との適正アライメント位置、すなわち位置整
合点となる。

これに対し、レーザ光の照射面の中心と第１の二分割セ
ンサ１１の中心とが不一致の場合、例えば前記第２格子
に２への照射光量が第１格子に１への照射光量に比べて
大なる方向にレーザ光の照射中心がずれた場合には、モ
アレ信号曲線ＭＯ。

Ｍπが変化し夫々モアレ信号曲線Ｍ’Ｏ，Ｍ’πで表さ
れるようになる。つまり円曲線Ｍ’Ｏ，Ｍ’πの交点は
Ｐ’ｏに移動し、前記位置Ｐａとこの位置Ｐ’ｏとの差
分ｅがレーザ光の照射中心の位置ずれによるモアレ信号
の誤差成分となる。この場合、予め二分割センサ１１．
１４のそれぞれについて０度モアレ信号と１８０度モア
レ信号を受持つ各センサ部分において、レーザ光の照射
中心と受光中心が一致するようにセットしておく。次に
レーザ光を用いアライメントを行うと、その時間経過に
対し、ポイントスタビリテイ−のずれ（第４図ｅ）を補
正することができる。

第５図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は夫々前記差動増幅器１
８．２１．２２の出力の一例を示しており、横軸時間に
対し、アライメント整合位置信号がポイントスタビリテ
イの悪化により（Ｌ（ｔ）、Ｌ’（ｔ）点で例示される
ように）ノイズ信号が発生する。

このようにレーザ光の照射中心が二分割センサ１１．１
４の受光中心と一致していない場合でも、差動増幅器１
８．２１の出力に重畳した誤差成分（時間しによって変
動する関数）Ｌ（ｔ）、Ｌ″（１）はその差分を差動増
幅器２２により処理すれば相殺され、差動増幅器２２の
出力であるアライメント整合点を示す略０レベルの一定
したモアレ変位信号が得られる。

上記誤差成分Ｌ（ｔ）、Ｌ’（ｔ）の除去につきさらに
詳述すると、第１の二分割センサ１１の出力を８１、第
２の二分割センサ１４の出力を８２、モアレ信号成分（
両アライメントマーク６．７の相対距離Ｘの関数）をＰ
（ｘ）としたとき、５ｔ＝Ｐ　（ｘ）＋Ｌ（ｔ） Ｓ２＝Ｌ’（ｔ） が成立する。

ここで、任意の定数をｋとすると、 ｋｓ２＝ｋＬ’（をンが成立するので、Ｌ　（ｔ）＝ｋ
Ｌ’（ｔ）と設定することにより、５ｌ−ｋ　５２＝Ｐ
（Ｘ） が得られる。

即ち、ｋを適宜の値に設定する（例えば増幅器１６．１
７．１９．２０の利得を調整する等）ことにより、モア
レ信号成分Ｐ　（ｘ）のみを検出できる。

なお、ｎ７Ｉ述したように、Ｙ方向についても一対のア
ライメントマークが形成されているが、その構成及び作
用はＸ方向と同様であるので説明を省略する。

第６図は第１実施例の原理に基づく本発明の第２実施例
を示すものであり、上記第１実施例において、第２ハー
フミラ−１２の傾斜の方向のみを変えるように構成した
ものである。即ち、第２ハーフミラ−１２は、レーザヘ
ッド１３からのレーザ光を第１ハーフミラ−８に向けて
通過させる一方、第２のアライメントマーク７からの反
射光であって縮小レンズ２を通過し第１ハーフミラ−８
に入射したものの一部を反射させ、この反射光を第２の
二分割センサ１４に入射させるように設定される。した
がって、第２ハーフミラ−１２は第１実施例における場
合と第２実施例における場合とで略９０度の傾きの違い
がある。

したがって、第２実施例の構成では、第２の二分割セン
サ１４には第２のアライメントマーク７からの反射光が
入射しているので、レーザ光のポイントスタビリテイの
不良による誤差成分及びアライメントマークの非対称に
よる誤差成分の他にＸＹステージ３のレベリングによる
誤差成分を除去したモアレ変位信号が得られる。

（発明の効果） 以上のように請求項１の発明によれば、所定間隔を置い
て第１の基板と第２の基板とを配設し、前記第１の基板
に中央に離間帯を有し該難問帯を挟んで、第１回折格子
と第２回折格子を形成して成る第１のアライメントマー
クを形成し、前記第２の基板に前記第１のアライメント
マークの第１回折格子と第２回折格子に対応して位相の
異なるモアレ信号を発生させる格子配列の回折格子から
成る第２のアライメントマークを形成し、前記第２のア
ライメントマークに投影レンズを介して可干渉光を照射
し、前記第２のアライメントマークの反射光の像を前記
第１のアライメントマークに重畳することにより互いに
位相の異なる二つのモアレ信号を検出し、該両モアレ信
号の差分に応じたモアレ変位信号に基づきｔｔｉＪ記両
基板のアライメントを行うようにした露光装置のアライ
メント装置において、前記両モアレ信号を各別に検出す
る第１のセンサと、前記両モアレ信号を検出するｎ；Ｉ
の位置で前記一対の回折格子の各位相の異なるモアレ信
号を発生する回折格子領域への照射に対応する前記可干
渉光の光量を各別に検出する第２のセンサと、前記両セ
ンサの出力に基づき前記モアレ変位信号を抽出すべく演
算する演算処理回路とを設ける構成としたので、可干渉
光を照射に起因するモアレ信号成分に重畳した誤差成分
を除去できることとなり、高精度のモアレ変位信号のみ
を検出することができ、アライメント精度向上に貢献で
きる。

請求項２の構成によれば、前記第２のセンサは、４゜ 前記第２のアライメントマークを照射する前における可
干渉光の光量のみを検出する位置に配置されるので、可
干渉光のポイントスタビリテイによる誤差成分のみを除
去することができる。

請求項３の構成によれば、第２のセンサは、前記第２の
アライメントマークの各位相の異なるモアレ信号を発生
する回折領域に相当する部分の反射光の光量を各別に検
出する位置に配置されるので、ポイントスタビリテイに
よる誤差成分のみならず、基板のレベリングによる誤差
成分及びアライメントマークの非対称性による誤差成分
をも除去することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るアライメント光学系
の概略構成図、第２図は第１及び第２のアライメントマ
ークの一実施例を示す模式下面図、第３図は演算処理回
路の一実施例を示すブロック図、第４図はモアレ信号の
変化を示すグラフ、第５図は演算処理回路の回路部位に
おける信号波形の一例を示すタイムチャート、第６図は
本発明の第２実施例に係るアライメント光学系の概略構
成図、第７図はポイントスタビリテイを説明するための
模式図、第８図はポイントスタビリテイの影響の有無を
説明するためのグラフである。 ｌ・・・レチクル（第１の基板）、４・・・ウェハ（第
２の基板）、２・・・縮小レンズ（投影レンズ）、３・
・・ＸＹステージ、６・・・第１のアライメントマーク
、７・・・第２のアライメントマーク、１１・・・第１
の二分割センサ（第１のセンサ）、１３・・・レーザヘ
ッド（可干渉光光源）、１４・・・第２の二分割センサ
（第２のセンサ）、１５・・・演算処理回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定間隔を置いて第１の基板と第２の基板とを配設
   し、前記第１の基板に中央に離間帯を有し該離間帯を挟
   んで、第１回折格子と第２回折格子を形成して成る第１
   のアライメントマークを形成し、前記第２の基板に前記
   第１のアライメントマークの第１回折格子と第２回折格
   子に対応して位相の異なるモアレ信号を発生させる格子
   配列の回折格子から成る第２のアライメントマークを形
   成し、前記第２のアライメントマークに投影レンズを介
   して可干渉光を照射し、前記第２のアライメントマーク
   の反射光の像を前記第１のアライメントマークに重畳す
   ることにより互いに位相の異なる二つのモアレ信号を検
   出し、該両モアレ信号の差分に応じたモアレ変位信号に
   基づき前記両基板のアライメントを行うようにした露光
   装置のアライメント装置において、前記両モアレ信号を
   各別に検出する第１のセンサと、前記両モアレ信号を検
   出する前の位置で前記一対の回折格子の各位相の異なる
   モアレ信号を発生する回折格子領域への照射に対応する
   前記可干渉光の光量を各別に検出する第２のセンサと、
   前記両センサの出力に基づき前記モアレ変位信号を抽出
   すべく演算する演算処理回路とを設けたことを特徴とす
   る露光装置のアライメント装置。 ２、前記第２のセンサは、前記第２のアライメントマー
   クを照射する前における可干渉光の光量のみを検出する
   位置に配置されている請求項１記載の露光装置のアライ
   メント装置。 ３、前記第２のセンサは、前記第２のアライメントマー
   クの各位相の異なるモアレ信号を発生する回折領域に相
   当する部分の反射光の光量を各別に検出する位置に配置
   されている請求項１記載の露光装置のアライメント装置
   。