JPH0235304A - 位置合わせ装置 - 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） 本発明は位置合わせ装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マス
ク」という。）等の第１物体面上に形成されている微細
な電子回路パターンをウェハ等の第２物体面上に露光転
写する際にマスクとウェハとの相対的な位置決め（アラ
イメント）を行う場合に好適な位置合わせ装置に関する
ものである。

（従来の技術） 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスクと
ウェハの相対的な位置合わせは性能向４―を図る為の重
要な一要素となっている。特に最近の露光装置における
位置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、
例えばサラミクロン以下の位置合わせ精度を有するもの
が要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウェハ面
上に位置合わせ用の所謂アライメントパターン（アライ
メントマーク）を設け、それらより得られる位置情報を
利用して、双方のアライメントを行っている。このとき
のアライメント方法としては、プロキシミティタイプの
露光装置としては、例えば双方のアライメントパターン
のずれ量を画像処理を行うことにより検出したり、又は
米国特許第４０３７９６９号や特開昭５６−　］　５７
０３　：］号公報で提案されているようにアライメント
パターンとしてゾーンプレート等の物理光学素子を用い
該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾーンプレ
ートから射出した光束の所定面上における集光点位置を
検出すること等により行っている。

前記位置合わせ装置においては、相対的な位置ずれ量を
求める際にマスクとウェハ面上に設けたゾーンプレート
からの光を評価すべき所定面上に独立に結像させて各々
基準とする位置からのすれ量を求めている。

この場合、ゾーンプレートからの直接像をそのまま評価
したのでは相対的な位置すれ量に対する所定面上の動き
か同程度で小さく高精度な検出が難しい。

一般に位置合わせを高精度に行うには、例えば所定面上
の動きを拡大する拡大系を設けるのが有効である。しか
しながら単に拡大系を設けてもその組立精度の影響や位
置合わセにおける変動の影響により、所定面上における
光量のずれ量を高精度に検出することが難しい等の問題
があった。

又特開昭８２−２５５８０５号公報では縮少型の投影レ
ンズを用いた露光装置を提案している。同公報ではレヂ
クル面上にフライメン１〜マークとして回折格子を設け
、該回折格子にコヒーレント光を照射して、これより生
じる回折光をレンズ系を介してウェハ面上に干渉縞を形
成している。

そして該干渉縞なウェハ面上に設けたアライメントマー
クである回折格子面上に重ね合わせ、このとき得られる
回折光の強度変化からマスクとウェハとの位置ずれを検
出している。

しかしなから同公報の位置合わせ装置では検出分解能が
例えば５ｎｍ程度となる様にレヂクル及びウェハ面上の
回折格子の格子ビッヂを定めると検出系を用いた電子情
報通信学会技術報告ＳＤＭ８７−１４９（１９８７年１
２月１１日）及び同５ＳＤ８５−１０８（１９８５年１
２月１３日）、社団法人電子情報通信学会出版等で示さ
れている様に検出可能なウェハのずれ量が幅にして０．
５μｍ程度以下と著しく小さく、従ってこの範囲内にウ
ェハを設定する為に、一般に別の高精度な位置合わせ手
段を必要とする等の問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は第１物体と第２物体との相対的な位置すれ量を
検出する際に第１物体面」二のアライメントマークから
の光束を所定位置に集光させる為の集光光学系を第１物
体と第２物体との間に配置することにより、比較的簡易
な構成により高精度でかつ検出範囲の広い、特に縮少型
の半導体素子製造用の露光装置に好適な位置合わせ装置
の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、第１物体と第２物体との相対的な位置決めを
行う際、該第１物体面上に設けた第１アライメントマー
クに照明手段から光を入射させ、このとき該第１アライ
メントマークから出射した光束を集光光学系により集光
し、該集光光学系の光軸方向の該第２物体面から外れた
有限位置に集光点を形成し、該集光点を該第２物体面上
に設けた第２アライメントマークにより光検出手段面」
−に拡大投影し、該光検出手段からの出力信号を利用し
て該第１物体と第２物体との相対的な位置決めを行った
ことを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明を半導体素子製造用の縮少投影型の露光
装置に適用したときの一実施例の光学系の要部概略図、
第２図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の位置合わせ装置におい
て第１物体と第２物体とを位置合わせする際の原理説明
図である。

第１図においてレーザ等の光源７から出射した光束を投
光レンズ系（コリメーターレンズ）８て平行光として第
１物体としてのレディクル１面の第１アライメントパタ
ーン４を照射している。

第１アライメントパターン４は、例えば光束の通過光を
点Ｐに集光させるレンズ作用を有する透過型のフレネル
ゾーンプレー１〜等の物理光学素子より成っている。そ
して点Ｐからの光束を集光光学系として併用している縮
少型のレンズ系３により第２物体としてのウェハ２から
縮少レンズ系３の光軸方向の距離ａたけ離れた点Ｑに集
光している。

ウェハ２上には第２アライメントパターン５が設けられ
ており、この第２アライメン１−パターン５は例えは反
射型のフレネルゾーンプレー１・等の物理光学素子より
成り、凸面鏡の機能を有しており点Ｑに集光し、入射し
てくる光束を反射させハーフミラ−９を介してポジショ
ンセンサーＣＣＤ等の光検出手段（検出器）の検出面６
」−に結像させている。

木実７１＆例ではこのときの検出面６北に導光された光
束の光量の所定位置からの重心すれ量Ｃからレヂクル１
とウェハ２との相対的な位置ずれ量δを求めている。

即ちこのときのウェハ２から検出面６まてのハーフミラ
−９を縁由した距離をｂとすれば位置すれ量δと光量の
重心ずれ量Ｃとの関係はε−δｘ（１−−） となる。

本実施例では距離ａ、ｂを適当に選ひ、これよりレヂク
ル１とウェハ２の相対的な位置すれ量δを高精度に求め
ている。

本実施例ては点Ｑの位置をレチクル１側から見てウェハ
２より遠い位置に設定し、第２アライメントパターン５
を凸面鏡型より構成したか、点Ｑの位置をウェハ２より
手前とし、第２アライメントパターン５を凹面鏡型の機
能を有するように構成しても同様な結果を得ることがで
きる。

次に第２図を用いて位置合わせの原理を説明する。

同図において第１図で示した要素と同一要素には同符番
な付している。

第２図（Δ）　、　（Ｃ）は各々第１物体１と第２物体
２とが所定量δすれている場合、第２図（Ｂ）は第１物
体１と第２物体２との位置合わせが完了している場合を
示している。

本実施例では不図示のコリメータ杉レンズからの平行光
束をレヂクルに代表される第１物体１面上に設けた第１
アライメントパターンであるフレネルゾーンプレートの
如き第１物理光学素子４に入射させている。第１物理光
学素子４は例えば凸レンズの如く集光作用を有しており
、出射光を第１物理光学素子４の焦点位置Ｐに集光して
いる。そしてこの点Ｐを集光光学系として例えば縮小露
光焼付用のレンズ系３を利用し、これよりリレーし、点
Ｑに再結像する様に構成している。

この際、被位置合わせ用の物体であるウェハの如き第２
物体２は点Ｑより距１１［ａたけレンズ系３側に配し、
さらに第２物体２面上の前記光束が照明される領域に凹
レンズの如く発散作用を有する第２物理光学素子５を設
けている。そして第２物理光学素子５で反射させること
により点Ｑを不図示の半透鏡の反射を介して検出器６上
に点Ｒとして再結像している。

即ち第１物理光学素子４、レンズ系３、第２物理光学素
子５を所謂面、凸、凹系のレンズ群として構成し投射光
束像を途中２点て１回結像した後、これをレンズ系３で
第２物理光学素子５より距離ａたけ離れた点Ｑに集光し
、これを第２物理光学素子５により更に距離すたけ離れ
た検出器６上に点Ｒとして再結像している。ここで第２
物理光学素子５の中心を０とし、第２図（Ａ）　、　（
Ｃ）に示すように第１物体１と第２物体２との位置合わ
せ完了時（Ｂ）の位置関係からの変位量、即ち位置すれ
量をδとすると、幾何配置より容易に検出器６上の結像
点Ｒの位置合わせ完了時からの変化量６は前述の如く ６＝（１−ｂ／ａ）δ　　　・・・・・・・・（１）と
なる。（但し第２図においてδ）０．ａ＞０゜ｂ〉０．
ε〈０として符号を設定し、以下この規定とする）。こ
こで、ｂ　７’　ａは一般の光学の結像系で用いられる
横倍率β（所謂結像倍率）に相当している。従って（１
）式は ε−（１−β）・δ　　　　・・・・・・・・（２）と
なる。

位置合わせ完了時の結像点Ｒの位置は装置にマスクを取
りつける旬にウェハ上にためし焼きを行ない、現像後の
焼付パターンのすれ量とためし焼き時の結像点の位置よ
り（２）式から求められる。

前記（］）　、　（２）式より明らかな様に第２物体２
の変位を高精度に検出する為には受光器６上のスポット
の変位量Ｃを拡大することが良い。例えば位置すれ量δ
に対して例えば５０倍〜２００倍程度を設定すると良い
。これはレンズ系３の結像倍率を加味して第１物理光学
素子４の焦点距離をパラメータとして結像点Ｑまでの距
離ａと、検出器６まての距離すとてほぼ定められる為、
実装」二の制約に合わせて任意設定可能である。また検
出器６を簡単の為、第２物理光学素子５からの光束が直
接結像した場合を示したか実装上の制約から検出器６の
配置が困難な時なとその動作距離を調整する為に光路途
中にレンズ系を設け、更に拡大倍率を与え調整しても良
い。

本実施例においてはフライメン１〜パターンとして物理
光学素子を用いることにより、単なるエツジパターンの
フライメン１〜パターンを用いた場合に比へパターン欠
損の影響か少ないという特徴を有している。又任意の縮
小露光焼きイ」け用のレンズ系に合わせて第１物理光学
素子の焦点距離を選択し、これにより検出に必要なすれ
倍率（−ε／δ）を得ている。更に原理的に検出器上の
光量分布の変化が被位置合わせ用の第２物体のずれに対
して単調に変化している為、検出器６の大きさで定めら
れる範囲において検出可能な領域が広く設定できる等の
特長を有している。

又第１図及び第２図では第１物理光学素子４、レンズ系
３、第２物理光学素子５かレンズ系として凸、凸、量系
の構成を示したがこの他、他の組合わせの構成、例えば
第３図に示す様に凸、凸画系の構成、第４図に示すよう
に凹、凸、量系の構成、そして第５図に示すように凹、
凸、白系の構成でも可能である。

このような構成において第１物体と第２物体との位置ず
れ量δと光量の重心位置ずれ量６との関係は前述と同様
に ６＝（１−−）　　δ となる。これらのレンズ構成はいずれもレンズ系３の特
性に応じて適宜選択している。

尚、第３．第４．第５図において（八）、（に）は第１
物体１と第２物体２とが所定量δすれている場合、（Ｂ
）は第１物体１と第２物体２との位置合わせか完了して
いる場合を示している。

又、以」二の説明においては簡単の為、すべて共軸系の
軸上に第１物理光学素子４、レンズ系３を配置した例を
示したか、レンズ系３として縮小露光焼き付は用のレン
ズ系を想定した場合、例えば第６図に示すように構成し
ても良い。即ち同図においてレンズ系３をレチクル１面
上のパターンをウェハ２面上に結像させる時に任意の軸
外物点及び像点における主光線がレンズ系３の光軸と略
々平行となるような系、所謂両側テレセントリック系よ
り構成しても良い。

同図においては第２物理光学素子５として単なる同心形
のフレネルゾーンプレーｌ・でなく、偏向成分を含む素
子とし、これより第１図に示した半透鏡９を不要とした
構成としている。

又同図においては特にウェハ２側の主光線をウェハ２に
垂直とすることでウェハの光軸方向の設定誤差か原理的
に検出系の計測方向成分の変位を伴なわない為、粒度劣
化を生じないという効果がある。又、第６図に示すよう
にレンズ系３が両側テレセンドリンク系でない場合、あ
るいは又レンズ系３が位置ずれ検出に用いる光束に対し
て収差が残存している場合等を含めて一般例に適用する
場合は、例えば第７図に示す様に第１物理光学素子４に
出射角及び収差量をパラメータとし、レンズ系３を出射
し第２物理光学素子５に入射する光束の主光線を垂直と
し、かつ第２物理光学素子５に対する物点Ｑの広がりを
小さくすること、即ち収差をわざと持たせた第１物理光
学素子４と収差を有するレンズ系３の合成により点Ｑで
無収差で結像する様に、第１物理光学素子４の出射角及
び収差量を設定するようにすることが粒度向上の為に好
ましい。

更に第８図に示すようにレチクル１面上の第１アライメ
ントパターンの投射光学系が露光光路を遮らないように
設定したい場合には、レチクル１面上の第１物理光学素
子４に入射する光束を斜入射とし、第１物理光学素子４
を第７図で示した実施例と同様に偏向成分を有する様な
素子とすれば例えば第６図と同様の系を得ることができ
る。

第１図から第８図に示す各実施例においてはレチクル１
面」−のアライメントマーク４としてフレネルゾーンプ
レートの如き物理光学素子を用いた例を示したがレンズ
系３にアライメント波長と露光光の波長が異なる場合等
に残存する軸上色収差を利用すれば、例えば第９図に示
す様にレチクル１面上に微少間１コ４ａを設け、これに
入射光を照射させることにより、ウェハ面２外にやはり
集光点Ｑを形成することができる。この場合の図中距離
ａが軸上色収差に相当する。同図において点Ｑのスポッ
トサイズはレンズ系がスフェロアクロマート、即ち球面
収差は露光波長とアライメント波長で差がないレンズ系
で設計すれば略々レンズ系３のＮＡで定められる無収差
な結像点が得られ、その位置はレチクル１面上の微少開
口の開口エツジにより規定される。

例えばアライメン１へ波長人を０．８３７１ｍ、レンズ
系のウェハ側のＮＡを０，５、結像倍率を１１５とする
と、レチクル面」二の無限小開「１に対するウェハ像の
像のサイズは所謂レーリーの式１２２λ／ＮＡより２μ
ｍ程度の点像となる。

従ってレチクル１面上の開１」４ａのサイズを例えば１
〜５μｍ程度としておけば開口の広がりの分はレンズ系
の倍率で縮小され、はぼ無視てき、点Ｑの大きさを略々
２μｍ程度の小さなものとすることができる。また点Ｑ
の位置はレンズ系３のアライメント波長による結像倍率
により規定される位置に定めることとなり、この点を物
点とし、今まての例と同様ウェハ２面」二の第２物理光
学素子５で検出器６」二に再結像させる系が得られる。

尚、第９図において１０は微少開口に投射光を有効照明
する為の必要に応じて配置される照明系である。

又、以上の各実施例は投射光束の入射角度を規定し、そ
の照度分布が略々均一てあれば基本的にＰ点の位置（従
ってＱ点の位置）は第１物理光学素子の設計値緒元によ
り定められ、投射光束の多少の分布変化に左右されない
効果を有している。

これに対し第１物体面上のアライラン１〜マーク領域に
常時均一照度分布の光束を照射可能な場合は、第１０図
に示すようにある程度広がりを持たせた開口を第１物体
面上のアライメントマークとして用いることかできる。

即ち第４図、第５図に示す様な凹、凸、口糸タイプ、あ
るいは凹、凸曲系タイプと同様に開口４ａのエツジで回
折される光束に対し漸近線の交点として想定される点Ｐ
があたかも存在するかの様に光束か規定でき、前述の例
と同様に点Ｑを形成し、従って検出器６面上に点像Ｒを
形成することかできる。

この他、例えば第１１図に示す様に偏向機能を加味した
回折格子を第１物体１面上の第１アライメントマーク４
として用いても良い。

第１図〜第１１図に示す各実施例では集光光学系３とし
て縮少型露光焼き付は用のレンズ系３を用いた所謂ＴＴ
Ｌ系の場合を示したか第１２図に示すようにレンズ系３
と一体と見なせる、即ち相対変位を伴なわない第１２図
に示すような別のレンズ部３ａ、３ｂ、３ｃを集光光学
系として用いても良い。

第１２図においてはレンズ部３ａ、３ｂ、３ｃを介して
レチクル１面一トのアライメントパターン４からの光束
をウェハ２面上の第２アライメントパターン５に導光し
ている。

このようにレンズ系３と一体と見なせるレンズ群３ａ、
３ｂ、３ｃを用いて前述と同様にして点Ｐの像点Ｑをウ
ェハ２外に形成し、これを第２物理光学素子５で再結像
させて前述と同様の効果を得ている。

又第１３図に示すようにレチクル１面上の第１アライメ
ントパターン４からの光束を露光用のレンズ系１３の一
部分を通過させた後、露光光路とは別の光学要素、３ｄ
、３ｅ、３ｆ等を介してウェハ２面上の第２アライメン
トパターン５に導光させても良い。

この他、本発明に係る位置合わせ装置は第１４図に示す
ような反射型の投影露光装置にも同様に適用することか
できる。同図において３１は凹面鏡、３２は凸面鏡であ
りレチクル１面上のパターンをウェハ２面」二に等倍投
影しており、第１図のレンズ系３に相当している。レヂ
クル１とウェハ２との位置合わせ方法については前述し
た各実施例と木質的に同しである。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば第１物体と第２物体との相
対的な位置すれ量を検出する際に第１物体と第２物体と
の間に配置した集光光学系により第１物体面上の第１ア
ライメントマークからの光束を所定面上に集光させ、該
所定面上の集光点を第２物体面に設けた第２アライメン
トマークにより検出器面上に拡大結像させるように構成
することにより、高精度でかつ検出範囲の広い半導体素
子製造用の露光装置に好適な位置合わせ装置を達成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を半導体素子製造用の縮少投影型の露光
装置に適用したときの一実施例の光学系の要部概略図、
第２図〜第５図は本発明の位置合わせ装置において第１
物体と第２物体とを位置合わせする際の原理説明図とそ
れと等価な構成の説閉園、第６図〜第１４図は各々本発
明の位置合わせ装置を半導体素子製造用の露光装置に適
用したときの一実施例の光学系の要部概略図である。 図中、１は第１物体、２は第２物体、３は集光光学系（
レンズ系）、４は第１アライメントマーク、５は第２ア
ライメントマーク、６は検出器、７は光源、８は投光レ
ンズ系（コリメーターレンズ）、９はハーフミラ−１３
ａ〜３ｆは光学要素、３１は凹面鏡、３２は凸面鏡であ
る。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体と第２物体との相対的な位置決めを行う
   際、該第１物体面上に設けた第１アライメントマークに
   照明手段から光を入射させ、このとき該第１アライメン
   トマークから出射した光束を集光光学系により集光し、
   該集光光学系の光軸方向の該第２物体面から外れた有限
   位置に集光点を形成し、該集光点を該第２物体面上に設
   けた第２アライメントマークにより光検出手段面上に拡
   大投影し、該光検出手段からの出力信号を利用して該第
   １物体と第２物体との相対的な位置決めを行ったことを
   特徴とする位置合わせ装置。
2. （２）前記第１物体をレチクル、前記第２物体をウェハ
   、前記集光光学系を該レチクル面上のパターンを該ウェ
   ハ面上に投影する投影光学系を利用して構成したことを
   特徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。
3. （３）前記第１物体をレチクル、前記第２物体をウェハ
   、前記第１アライメントマークを微少開口より形成し、
   前記集光光学系を該レチクル面上のパターンをウェハ面
   上に投影露光する為の投影光学系を利用して構成し、該
   第２物体面から外れた有限位置の集光点を該集光光学系
   により露光光とアライメント光の波長の違いにより該微
   少開口の結像点位置が異なるようにして形成したことを
   特徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。