JPH0274804A - 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３次元的な相対位置決め
（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上を図る為の重要
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
えばサブミクロン以下の位置合わせ結反な有するものが
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、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４
０３７９６９号や特開昭５６−＋５７（１３３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」二に
おける集光点位置を検出すること等により行っている。

般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、単
なるアライメントパターンを用いた方法に比べてアライ
メントパターンの欠損に影響されずに比較的高精度のア
ライメントが出来る特長がある。

第６図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ装
置の概略図である。

同図において光源７２から射出した平行光束はハーフミ
ラ−７４を通過後、集光レンズ７６で集光点７８に集光
された後、マスク６８面上のマスクアライメントパター
ン６８ａ及び支持台６２に載置したウェハ６０面一トの
ウェハアライメントパターン６０ａを照射する。これら
のアライメントパターン６８ａ、６０ａは反射型のゾー
ンプレートより構成され、各々集光点７８を含む光軸と
直交する平面上に集光点を形成する。このときの平面上
の集光点位置のずれ量を集光レンズ７６とレンズ８０に
より検出面８２上に導光して検出している。

そして検出器８２からの出力信号に基づいて制御回路８
４により駆動回路６４を駆動させてマスク６８とウェハ
６０の相対的な位置決めを行っている。

マスク６８およびウェハ６０上のゾーンプレート６８ａ
、６０ａは焦点距離がマスク６８とウェハ６０との間の
所定の間隔値に等しい量だけ異なり、一般にウェハ６０
上のゾーンプレート６０ａの方が焦点距離が大きくなる
。

第７図は第６図に示したマスクアライメントパターン６
８ａとウェハアライメントパターン６０ａからの光束の
結像関係を示した説明図である。

同図において集光点７８から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン６８ａよりその一部の光束か回折し、
集光点７８近傍にマスク位置を示す集光点７８ａを形成
する。又、その他の一部の光束はマスク６８を０次透過
光として透過し、波面を変えずにウニ八６０面上のウェ
ハアライメントパターン６０ａに入射する。このとき光
束はウェハアライメントパターン６０ａにより回折され
た後、再びマスク６８を０次透過光として透過し、集光
点７８近傍に集光しウェハ位置をあられす集光点７８ｂ
を形成する。同図においてはウェハ６０により回折され
た光束が集光点を形成する際には、マスク６８は単なる
素通し状態としての作用をする。

このようにして形成されたウェハアライメントパターン
６０ａによる集光点７８ｂの位置は、ウェハ６０のマス
ク６８に対するずれ量Δσに応じて集光点７８を含む光
軸と直交する平面に沿って該ずれ１Δσに対応した量の
ずれ量Δσ′として形成される。

同図に示す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ニ八面上に設けた回折格子
、ゾーンプレート、ホログラム等の光の波動としての性
質を利用した波面変換素子、所謂物理光学素子からの光
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
る位置からのずれ量を求めている。

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ずれ量に対する所定面上の動きが
同程度で小さい為、高精度の位置合わせの為には第６図
に示す集光レンズ７６とレンズ８０等の外部光学系に第
７図に示されるずれ量Δσ′を拡大して検出器８２上に
結像する機能を持たせることが必要となってくる。

例えば、マスク６８とウェハ６０の位置ずれ量を０．０
１μｍの精度で計測する位置合わせ装置では検出器８２
の光量分布の重心位置測定の分解能が１μｍとすると外
部光学系はマスク６８とウェハ６０間の位置ずれ量を少
なくとも１００倍に拡大して検出器８２上にアライメン
ト光束を結像してやる必要がある。

ところか、このようにアライメント光学系に比較的大き
い位置ずれ量拡大機能を付与するとレンズ系、全系で発
生する収差により検出器８２で観測される光束の光量分
布の重心移動量はマスクとウェハ間の位置ずれ量に対し
て所定の倍率を乗算して得られるような線形関係が成り
立たなくなってくる。特に位置ずれ量が大きくなると対
応して発生する収差量も大きくなるため上記関係の非線
形性が顕著になり位置合わせ精度か低下してくる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はこのような外部光学系の収差等の原因。

によるマスクとウェハとの位置ずれ量と検出器面上で観
察される光量分布の重心位置の移動量との非線形性に伴
う計測誤差を得られた位置ずれ量に対応して補正手段に
より補正することにより、マスクとウェハとの２次元的
又は３次元的な相対的位置合わせを高精度に行うことの
できる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） 第１物体と第２物体の各々アライメントマークを設け、
これらのアライメントマークを介した波動を検出手段に
より検出することにより該第１物体と該第２物体の相対
的な位置合わせを行なう際、該検出手段により信号を処
理して得られる位置ずれ計測値に対して補正手段により
該位置ずれ計測値に対応した所定の非線形係数で補正し
、これより得られる補正値を利用して該第１物体と該第
２物体との位置ずれ量を求めるようにしたことである。

（実施例） 第１図は本発明を半導体素子製造用の露光装置に適用し
たときの第１実施例の概略図、第２図は第１図の光路を
展開したときの要部概略図である。

本実施例では光源３２から出射された電磁波、音波等の
波動（以下「光束」という。）をコリメーターレンズ３
３で平行光束とし、投射用レンズ３３、ハーフミラ−３
４を介し、第１物体１として例えばマスク面Ｍを通過さ
せた後、フレネルゾーンプレートの一種であるグレーテ
ィングレンズ等から成る第１物理光学素子４１Ｍを斜方
向から照射している。

第１物理光学素子４１Ｍは集光作用を有しており反射光
を第１物体１の法線方向（＋２方向）に射出させ、第１
物理光学素子４１Ｍから所定の距離層れた第２物体２と
しての、例えばマスク面上に設けられているグレーティ
ングレンズより成る第２物理光学素子４１Ｗに入射させ
ている。第２物理光学素子４１Ｗは集光作用を有してお
り、光束をアライメントヘッド２４方向に射出させハー
フミラ−３５を介した後、集光レンズ３６により検出器
３８の検出面上に集光している。

そして検出器３８からの出力信号を後述する補正手段１
０１により補正しマスク１とウェハ２との位置ずれ量を
求めている。尚、マスク１とウェハ２は所定の範囲のギ
ャップで保持されている。

本実施例では位置合わせの為、ウェハ２を動かす構成に
なっているが、同様にマスクチャック移動機構を設はマ
スク１を動かす構成としても良い 以下、便宜上第１物理光学素子４１Ｍをマスク用のグレ
ーティングレンズ４１Ｍ、第２物理光学素子４１Ｗをウ
ェハ用のグレーティングレンズ４１Ｗ、第１物体をマス
ク、第２物体をウェハという。

このように本実施例ではウェハ２面上のアライメントパ
ターンを所定の焦点距離をもったグレーティングレンズ
（フレネルゾーンプレートの一種）より構成し、アライ
メントヘット２４からマスク１而に斜入射したアライメ
ント用の光束をマスク１面の法線方向（−２方向）に偏
向し、所定の位置（例えばＺ　ニー１８７．００μｍ）
に集光させている。

本実施例においてマスク１面上に斜入射させる角度αは １０く　α　＜８０ 程度が好ましい。

又、ウェハ２１ニのアライメントパターン４１はＺ軸に
関して非対称なパターンのオフアクシス型のグレーティ
ングレンズで、例えば焦点距離２１７．０μｍとなるよ
うに設計され、マスク１面上のクレーティングレンズを
透過、回折した収束（発散）光をアライメントヘッド方
向に導光している。

このときアライメント光束はグレーティングレンズのレ
ンズ作用を受はアライメントヘッド２４内の受光器３８
に入射する。第１の実施例ではパターンの存在するスク
ライブライン方向にアライメントする。

今、マスク１とウェハ２とが平行方向にΔσずれており
、ウェハ２からウェハ２のグレーティングレンズ４１Ｗ
で反射した光束の集光点までの距離をａ、マスク１のグ
レーティングレンズ４１Ｍを通過した光束の集光点まて
の距離なりとすると検出面９上での集光点の重心ずれ量
ΔδはΔδ＝Δσｘ（＝　＋１）　　　　・・・・・・
・・・（ａ）となる、即ち重心ずれ量Δδは（ｂ　／　
ａ　＋　１　）倍に拡大される。

例えば、ａ　＝０．５＋ｎ＋ｎ　、　ｂ　＝５０ｍ＋ｎ
とすれば重心ずれ量Δδは（ａ）式より１０１倍に拡大
される。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは（ａ
）式より明らかのように比例関係となる。検出器の分解
能が０．１μｍであるとすると位置ずれ量Δσはｏ、ｏ
ｏｉμｍの位置分解能となる。

しかしながら実際には受光器３８面上のアライメント光
束の光量分布は位置ずれ量が例えば８μｍ、１μｍのと
き各々第３図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すように非対称に
なってくる。

尚、同図は画素サイズ１３Ｘ１３μｍ、画素数６００の
ＣＣＤ蓄積型の充電変換素子からの出力データに対応す
るシュミレーションの結果を示している。

このように受光器３８面上の光量分布が非対称となるの
はマスク及びウェハ面上に設定したグレーティングレン
ズ系の収差（コマ収差、非点収差、歪曲収差、その他グ
レーティングレンズ特有の波動光学的収差）と位置ずれ
量測定の為の集光レンズ３６等の外部光学系で生ずる収
差が原因している。

このような諸収差の為にマスクとウェハ間の位置ずれ量
Δσと受光器３８面で測定される光束の光量重心の移動
量から求まる位置ずれ量Δδとの関係は線形とならず第
４図に示すように非線形となってくる。

本実施例のように位置合わせを行う物体上に形成したレ
ンズ素子（グレーティングレンズ）のパワー配置で決ま
る所定の位置ずれ量拡大倍率で受光面、トな移動する光
束の光量重心位置を測定することにより、位置ずれ量を
計測する際は位置ずれ量に応じたグレーティングレンズ
系の収差や外部光学系等により受光面上での光束の光量
分布が非対称となることが予め解っている。

但し、非対称関数の関数形そのものは予めシュミレーシ
ョン又は実験データから得られる光量分布のデータに平
滑化等の操作を行ない、更に必要があれば該データに矩
形窓関数をかけて得られるデータを用いるようにしても
良い。

そこで本実施例では予めシュミレーションにより位置合
わせ装置全体で生ずる収差から光量分布データの関数形
状から光量重心位置データを求め、第４図に示す非線形
データ関数から補正係数用数値データテーブルを作成し
補正手段１０１に記憶している。そして受光器３８面上
での光束の光量重心位置測定値と対応する補正手段１０
１内の数値データテーブルからマスクとウェハ間の位置
ずれ量を求めている。

具体的には受光器３８面上での光量重心位置ｘ８に対応
する非線形補正係数Ａｓ（Ｘｓ）を乗算して得られる値
Ｘｓ　　＝Ａｓ　　（Ｘｓ　）　・Ｘｓをもってマスク
とウェハ間の位置ずれ量としている。

尚、ここでＡｓ（Ｘｓ）は前述した数値データテーブル
のデータである。そして以上のようにして得られた値Ｘ
３′が許容値範囲内か否か判定して許容値範囲外であれ
ばウェハステージ又はマスクステージを位置ずれ補正方
向に値ＸＳ　′だけ駆動させている。そしてこれにより
マスクとウェハとの相対的な位置決めを行っている。

第５図は本実施例のフローチャートである。

本実施例ではこのようにして求めた位置ずれ量Δσをも
とに第２物体を移動させて第１物体と第２物体の位置決
めを高精度に行っている。

尚、本実施例において光束の光量重心は光束断面内にお
いて断面内各卑のその点からの位置ベクトルにその点の
光量を乗算したものを断面全面で積分したときに積分値
が０ベクトルになる点をとっても良いし、又代表点とし
て光強度がピークとなる点の位置をとっても良い。

光源としてはＨａ−Ｎａレーザ、半導体レーザ等のコヒ
ーレンシーの高い光源でも良く、又発光タイオート（Ｌ
ＥＤ）、Ｘｅ−ランプ、水銀灯等のコヒーレンジの低い
光源を用いても良い。

尚、本発明は第６図に示す位置合わせ装置にも適用する
ことができる。例えば位置合わせ光学系や機域系は同図
に示すように構成し、外部レンズ７６．８０により位置
ずれ量を１００倍に拡大する。そして検出器８２からの
出力信号を、本発明に係る航速の機能を有する補正手段
により補正し、該補正値を用いるようにすれば本発明の
目的を同様に達成することができる。

（発明の効果） 本発明によればマスクとウェハの相対的な位置ずれ量を
所定の拡大倍率で計測する際の非線形誤差を位置ずれ量
の計測値によって決まる予めシュミレーションや実験等
により求めた所定の非線形補正係数を該位置ずれ量の計
測値に乗算し補正することにより、高精度の位置合わせ
を可能とした位置合わせ装置を達成することができる。

更に、本発明は位置ずれ計測範囲の拡大に伴なう位置ず
れ拡大倍率の変動を許容することができ、測定レンジを
拡大することができる等の特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略図、第２図は第１図
の光路を展開したときの要部概略図、第３図（Ａ）　、
　（Ｂ）は本発明における受光面上の光束の光量分布の
説明図、第４図は位置ずれ量と位置ずれ計測値との関係
を示す説明図、第５図は本発明に係るフローチャート、
第６．第７図は従来の位置合わせ装置の概略図である。 図中、１は第１物体、２は第２物体、４１Ｍ。 ４１Ｗは各々第１．第２物理光学素子、３２は光源、３
３は投光レンズ、３５はハーフミラ−３６は集光レンズ
、３８は検出器、２４はピックアップヘッド、１０１は
補正手段である。 勇 刀 ４＋）＋７ ４１閂 革 図 （Ａ） 第 図 （Ｂ） ＤＩＳＴＡＮＣＥ 菫 図 ε１．ε２：辞守値部口諧定１直

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体と第２物体の各々アライメントマークを
   設け、これらのアライメントマークを介した波動を検出
   手段により検出することにより該第１物体と該第２物体
   の相対的な位置合わせを行なう際、該検出手段により信
   号を処理して得られる位置ずれ計測値に対して補正手段
   により該位置ずれ計測値に対応した所定の非線形係数で
   補正し、これより得られる補正値を利用して該第１物体
   と該第２物体との位置ずれ量を求めるようにしたことを
   特徴とする位置合わせ装置。
2. （２）前記アライメントマークのうち少なくとも１つの
   アライメントマークはレンズ作用を有していることを特
   徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。