JPH0293305A - 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】 （ｌ卒業上の利用分野） 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７ｇ１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、マスク及びウヘへ面
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。

第５図は特開昭５３１３５６５３号公報で提案されてい
る位置合わせ装置の要部概略図である。

同図においてレーザー５０１からの光束はレンズ６０１
を介した後、回転しているポリゴンミラー５０２で反射
し、射出光束をテレセントリックとするｆ−θレンズ５
０３に入射する。ｆ−θレンズ５０３はその入射瞳面を
ポリゴンミラー５０２の反射面に一致させている。ｆ−
θレンズ５０３を通過した光束はレンズ６０２を介しダ
ハプリズム５０４により左右２つのアライメント光学系
に分けられる。

同図では左右のアライメント光学系は対称となっている
為に以下は一方のアライメント光学系について説明する
。

ダハプリズム５０４で分けられた光束はハーフミラ−６
０３で反射した後、レンズ６０４、ミラー６０５を通り
、対物レンズ５０５によりｆ−θレンズ５０３の像面若
しくはその共役面であるレチクル５０７面上及び投影レ
ンズ５０８によるその共役面であるウェハ５０９面上に
入射し、ポリゴンミラー５０２を回転させることにより
テレセントリックな状態でウェハ５０９面上を走査する
。

レチクル５０７面上とウェハ５０９面上には第６図（Ａ
）に示すような位置整合用の識別マークとしてのレチク
ルアライメントマーク５０７Ｍ、ウェハアライメントマ
ーク５０９Ｍ（アライメントパターンともいう。）が各
々左右２カ所に設けられている。そして光束かアライメ
ントパターン近傍に通過した場合にはアライメントパタ
ーンのエツジのない部分では正反射し所謂非散乱光とな
り入射してきた光路と同じ光路を戻り、エツジのある部
分では回折や乱反射し所謂散乱光となり入射してきた光
路と同じ光路を戻る。

このうち対物レンズ５０５を通過した非散乱光と散乱光
はミラー６０５、レンズ６０４、ハーフミラ−６０３を
通過する。そしてレンズ６０６゜６０７に入射した光束
は対物レンズ５０５の瞳面と共役な位置に配置された中
心部分が不透明の不図示のスリットにより散乱光のみを
通過させホトディテクタ（受光部ともいう。）５１１て
受光している。

同図ではアライメントパターンからの散乱光を検出し、
レチクル３とウェハ１とのずれ量を検出して位置整合（
アライメント）を行っている。

第６図（Ｂ）はウェハ面上のアライメントパターンとマ
スク面上のアライメントパターンとの位置関係が同図（
Ａ）の場合の受光部５１１からの出力信号の説明図であ
る。同図は横軸に時間、縦軸に出力値をとっている。

そしてレチクル５０７のアライメントマークとウェハ５
０９のアライメントマークのズレ量ｄＸ、ｄＹは、第６
図（Ｂ）の記号を使えばｄＸ　　−Ｖ　　傘　ｍ　　−
ｔ２　−　　ｔｌ　　＋　　ｔ５）　　／　　４ｄＹ　
−Ｖ　＊　（ｔｌ　−ｔ２　＋　ｔｌ　−ｔ５）　／　
４ここでＶはスキャン速度 で求めることができる。つまり位置計測を等速のレーザ
ービームスキャンにより時間計測に置き換え測定するこ
とかできる。

第５図に示す装置において得られるアライメント情報は
、レーザ５０１の光束をポリゴンミラー５０２でスキャ
ンしてレチクル５０７のアライメントマークとウェハ５
０９のアライメントマークを横切った瞬間の位置情報で
ある。一般に露光装置におけるマスクとウェハは種々の
原因により微少に振動している。

従来の光を用いた半導体露光装置等の位置合わせの積度
は粗く、例えば１［μｍ］程度のラインアンドスペース
のプロセスではアライメント検出精度は０．１［μｍ］
であり位置合わせするマスクとウェハ間の相対振動のず
れはアライメント検出精度０．１［μｍ］に比べ十分小
さくマスクとウェハ間の相対振動は無視することがてき
た。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のアライメント方法では得られたアライメント情報
は位置合わせするレチクル（−数的にはマスク・以下マ
スクと略す）とウェハ間の相対振動のずれを含んでおり
、従来の１．０［μｍ］程度のラインアンドスペースの
プロセスの半導体露光装置では問題にならなかった。

しかしながら、例えばＸ線ステッパーの様に０．２５［
μｍ］の高精度のラインアンドスペースのプロセスの半
導体露光装置では、アライメント検出精度が０．０１［
μｍ］程度が要求され、マスクとウェハ間の相対振動の
ずれを含むアライメント情報は精度的に問題になってい
る。

そこで、マスクとウェハ間の相対振動のずれを含むアラ
イメント情報を多数回データ取りしてそれらの平均値か
らマスクとウェハ間の平均位置情報を求めアライメント
情報とするという処理が必要になる。

しかしながら、これらの方法ではアライメント情報を多
数回測定してそれらの平均値を求めるとし゛う手順か必
要であり、これらの測定や処理によりアライメント検出
に多くの時間が必要となる。

さらに測定する時間間隔が離散的であり、得られたアラ
イメント情報の時間間隔とマスクとウェハ間の相対振動
の折り返し雑音が生じ、それによる誤差により多数回測
定して求めた結果も誤差を含む可能性がある。

さらにアライメント情報を多数回測定してから処理をす
ることによって、半導体露光装置全体のスループットが
上がらないという重大な問題が生じてくる。

一方、半導体露光装置全体のスループットを優先すれば
、マスクとウェハ間の相対振動のずれによってアライメ
ント情報の精度は悪化し半導体露光装置の位置合わせ精
度か悪化しプロセス上の問題となってくる。

本発明はこのような問題点を考慮し、受光部に蓄積型光
電変換素子を用い、その蓄積時間を位置合わせをするマ
スクとウェハ間の相対振動の固有振動周波数（共振周波
数ともいうが以下固有振動周波数という。）の周期を考
慮して適切に設定することにより、マスクとウェハとの
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
の提供を目的としてし）る。

（問題点を解決するための手段） 発光手段からの光束を対向配置した第１物体と第２物体
の各々の面上に設けたアライメントマークを介した後、
受光手段面上に導光し、該受光手段からの出力信号を利
用して該第１物体と第２物体との位置合わせを行う際、
該受光手段は蓄積時間を任意に制御することかできる蓄
積型光電変換素子を有しており、該蓄積型光電変換素子
への蓄積時間を該第１物体と第２物体間の固有振動周波
数を検出する為に設けた変位計からの出力信号を利用し
て制御したことである。

この他本発明では、該蓄積型光電変換素子への蓄積時間
を該第１物体と第２物体間の固有振動周波数を予め測定
し、該測定値を該位置合わせ装置内の一部の記憶部に記
憶させ、該記憶部からの出力信号に基づいて制御するよ
うにしている。

（実７ｉｈ例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。第１
図において、１０１は発光素子である半導体レーザ、１
０２はコリメーターレンズであり半導体レーザ１０１か
ら出力される光束を平行光にしている。１０３はハーフ
ミラ−であり半導体レーザからの光束をマスク、ウニ八
方向へ反射させ、又マスク、ウェハからの光束を透過さ
せている。１０４は第１物体で例えばポリイミド等の材
質のフィルムに金等の半導体パターン及びアライメント
マークが書かれているマスクである。

１０４ａはアライメントマークであり、マスク１０４面
上に形成されてあり、ハーフミラ−１０３からの反射光
束を受けている。１０５は第２物体で半導体パターン及
びアライメントマークが形成されるシリコン等のウェハ
である。

１０５ａはアライメントマークであり、ウェハ１０５に
形成されている。１０６は蓄積型光電変換素子でありマ
スク１０４に形成されているアライメントマーク１０４
ａとウェハ１０５に形成されたアライメントマーク１０
５ａを介したアライメント情報を持つ光束を受光するＣ
ＣＤ等から成っている。

１０７はＬＤドライバであり、半導体レーザ１０１を外
部から設定される光量で駆動している。１０８はセンサ
ドライバであり、光電変換素子１０６を外部から設定さ
れる蓄積時間で駆動制御している。１０９は信号処理部
であり、光電変換素子１０６の出力を処理し例えば位置
情報を持つ光束の重心等を計算している。１１０は変位
計てあり、マスク１０４とウェハ１０５の相対振動を測
定する例えば静電容量変位計等である。

１１１はマイクロコンピュータ−であり、変位計１１０
の出力を受はマスク１０４とウェハ１０５の相対振動か
ら半導体レーザ１０１の光量を設定しさらに光電変換素
子１０６の蓄積時間を設定し、ＬＤドライバ１０７やセ
ンサドライバ１０８にその旨の信号を送出している。

本実ｈ１例においてはマスク１０４のアライメントマー
ク１０４ａ（以下単にマスクと記す）とウェハ１０５の
アライメントマーク１０５ａ　（以下単にウェハと記す
）の平均位置なＳとすればマスクとウェハの相対振動に
よって時間と共に変化するＮ　（ｔ）なるずれが加わっ
た位置が時刻ｔにおける実際のマスク、ウェハ間の位置
Ｓ　（ｔ）である。即ち Ｓ　（ｔ）＝Ｓ＋Ｎ　（ｔ） なる位置関係がマスクとウェハにある。

一般に半導体露光装置において要求されるアライメント
情報はマスクとウェハの平均位置Ｓである。従来は、要
求されるマスクとウェハの位置Ｓの分解能の比ベマスク
とウェハの相対振動によるすれＮ　（ｔ）が非常に小さ
かったのでＳ　（ｔ）＝Ｓ＋Ｎ　（ｔ）幻Ｓ となり、時刻ｔにおける実際のマスク、ウェハ間の位置
Ｓ　（ｔ）を求めてもマスクとウェハの平均位置Ｓとほ
とんど同じであり、問題はなかった。

今、第１図において信号処理部１０９は光電変換素子（
以下、複数の素子より成る為「ラインセンサ」という。

）１０６のｉ番目の出力Ｓ′（ｉ）を処理しマスクとウ
ェハの位置を計算する。

ラインセンサ１０６のｉ番目の出力Ｓ　′（ｉ）は、マ
スクとウェハの平均位置Ｓと、マスクとウェハの相対振
動によるずれＮ　（ｔ）による光束がラインセンサ１０
６に入射したものである。このとき各々の光束の成分を
Ｌ　Ｓ　（ｉ）　、　Ｌ　Ｎ　（ｉ、ｔ）とすればライ
ンセンサ１０６からの出力Ｓ　′（ｉ）は、蓄積時間ｃ
ｔでラインセンサ１０６に入射した光束を積分したもの
であり、 Ｓ　′　（ｉ）　　諺　Ｋ＊５　　　　［ＬＳ（ｉ）　
　＋　　ＬＮ（ｉ、ｔ）］　　ｄｔここでにはセンサの
感度 となる。

ここで、マスクとウェハの相対振動によるすれＮ　（ｔ
）は、主にマスク１０４とウェハ１０５を支える構造部
材の機械的な共振によるものが支配的であり、例えば本
実施例においてマスク１０４とウェハ１０５の相対振動
は実測によると、第２図（Ａ）に示すように微小振動し
ている。又、第２図（Ｂ）に示すように本実施例に右い
てはマスク１０４、ウェハ１０５間の相対振動は測定の
結果、１０５［Ｈ４Ｆに固有振動周波数を持つ系であっ
た。

マスク１０４、ウェハ１０５間の相対振動の固有振動周
波数ｆｗｍに対する固有振動周波数の周期Ｔｗｍは Ｔｗｍ　　＝　　１／ｆｗｍ である。マスク１０４、ウェハ１０５間の相対振動の振
幅が固有振動周波数ｆｗｍで支配的であるのでマスクと
ウェハの相対振動によるずれＮ　（ｔ）によるラインセ
ンサ１０６の出力Ｓ　’　（ｉ）は、ｃｔをＴｗｍより
十分長くすれば ｃｔ　　　＞＞　　　Ｔｗｍ であるので ｃｔ Ｓ′（ｉ）　　句　　Ｋ＊ｉ　　　　［ＬＳ（ｉ）コ　
ｄｔｃｔ　　　＞＞　　　Ｔｗｍ となる。

更に、ラインセンサ１０６の蓄積時間をマスク、ウェハ
間の相対振動の固有振動周波数ｆｗｍの周期Ｔｗｍの整
数倍に選べば ここでｎは正の整数 であるので ここでｎは正の整数 となる。

ラインセンサ１０６のピット数をｍ、信号処理部１０９
の信号処理をＦとすれば信号処理部１０９か求めるマス
ク１０４とウェハ１０５の位置Ｓ′は ｓ　′＝Ｆ［ｓ　′（ｉ）　］ ただしｉ＝１〜ｍ となる。

一般には信号処理部１０９て求められるマスクとウェハ
の位置Ｓ′には光学的誤差や処理誤差による誤差Ｅか存
在し、 Ｓ’＝　　Ｓ　（ｔ）　＋Ｅ すなわち Ｓ”＝　　Ｓ＋Ｎ　（ｔ）＋Ｅ となる。

本実施例ではラインセンサ１０６の蓄積時間をマスク、
ウェハ間の相対振動の固有振動周波数ｆｗｍの周期Ｔｗ
Ｉ１１より十分長く選んでいる。あるいは整数倍に選ん
でいる。この場合、ラインセンサ１０６の出力Ｓ　’　
（ｉ）はマスク、ウェハ間の相対振動の影響をほとんど
受けないので、ラインセンサ１０６の出力により、信号
処理部１０９が求めたマスクとウェハの位置Ｓ′は光学
的誤差や処理誤差による誤差Ｅのみを考えれば良く Ｓ′〜　Ｓ　（ｔ）　＋Ｅ と求めることができる。

面述したように、第１図においてラインセンサ１０６の
蓄積時間Ｔｃをマスク１０４とウェハ１０５の相対振動
の固有振動周波数ｆｗｍの周期Ｔｗｍに対して長く設定
する。そして特にマスク１０４とウェハ１０５の相対振
動の固有振動周波数ｆｗｍの周期Ｔｗ１１の整数倍にラ
インセンサ１０６の蓄積時間Ｔｃを選ぶことによりライ
ンセンサ１０６の出力により、信号処理部１０９が求め
たマスクとウェハの位置Ｓ′は光学的誤差や処理誤差に
よる誤差Ｅのみと考えれば良く Ｓ′師　Ｓ　（ｔ）　＋Ｅ となる。つまりマスクとウェハの相対振動によるずれＮ
　（ｔ）による影ツサを受けることは、はとんど無い。

一方、ラインセンサ１０６の感度は例えば第３図に示す
ように蓄積時間Ｔｃにより変化する。

例えば、マスク１０４とウェハ１０５の相対振動の固有
振動数ｆｗｍの周期Ｔｗｍの整数倍になるようにライン
センサ１０６の蓄積時間Ｔｃを対応させ変化すると、ラ
インセンサ１０６の感度は変化する。

ラインセンサ１０６の出力を信号処理部１０９で処理す
る場合、出力が飽和しない範囲で大きいことが望まれる
。そのためラインセンサ１０６Ｑ）出力を常に信号処理
部１０９が要求する最適値にすることが必要になる。

そのため本実施例ではラインセンサ１０６の蓄積時間Ｔ
ｃを変化させることによって、ラインセンサ１０６の出
力を最適値にするために半導体レーザ１０１の光出力Ｐ
Ｊ２ｄを ＰＩｌｄ＊Ｔｃ＝　　ｃｏｎｓｔ となるように設定している。

尚、第１図に示したマイクロコンピューター１１１は変
位計１１０の出力により上記の設定値を計算して、ライ
ンセンサ１０６の蓄積時間Ｔｃを最適値に設定している
。そしてラインセンサ１０６の蓄積時間Ｔｃに対して半
導体レーザ１０１の光出力Ｐｆｆｉｄを最適な値に設定
している。

第２図は本発明の第２実施例の要部概略図である。同図
において第１図に示す要素と同一要素には同符番を付し
ている。

第４図においてマイクロコンピュータ−１１１は予め不
図示の静電容量変位計等でマスク１０４どウェハ１０５
の相対振動の固有振動周波数ｆｗｍの周期Ｔｗｍを測定
し、そのときの測定値をマイクロコンピュータ−１１１
内の記憶部、又は露光装置内に設けた記憶部に記憶して
おき、必要に応じて該測定値（データ）をＬＤドライバ
１０７やセンサドライバ１０Ｂに送信している。

半導体露光装置のような装置ではマスクとウェハが変化
しても質量の大きなステージや構造部材等の機械的な共
振が支配的であるので、マスク１０４とウェハ１０５の
相対振動の固有振動周波数ｆｗ１１の周期Ｔｗｍはほと
んど変化しない。従って装置に依存するマスク１０４と
ウェハ１０５の相対振動の固有振動周波数ｆｗｍの周期
Ｔｗｍを予め測定しておくだけで、すなわち周期Ｔｗｍ
によって決まる蓄積時間をマイクロコンピュータ−１１
１が設定することにより本実施例では前述と同様の効果
をｌＪている。

この他、本実施例においては第４図に示すマイクロコン
ピュータ−１１１を用いずにある固定の蓄１ｔ１時間を
、予め静電容量変位計等（図示せず）で測定したマスク
１０４とウェハ１０５の相対振動の固有振動周波数ｆｗ
ｍの周期Ｔｗｍから決定したハードウェアで構成しても
同様の効果が得られる。

面記各実施例では光電変換素子としてＣＣＤ等のライン
センサを用いた場合を示したが、ラインセンサは蓄積時
間が制御することができる光電変換素子であれば、どの
ようなものであっても良く、例えばＣＣＤエリアセンサ
等であっても良い。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば受光手段として蓄積型の光
電変換素子を用い、該光電変換素子の蓄積時間を位置合
わせするマスク、ウェハ間の相対振動の固有振動周波数
の周期に応じて、例えば同期より長く特に整数倍に選択
することによって、マスクとウェハ間の相対振動による
ずれを含むアライメント情報の平均値を得ることができ
る。

そのため、アライメント情報を多数回測定してそれらの
平均値を求め平均のアライメント情報とするという処理
が必要になる従来の方法に比べ、アライメント検出時間
が短時間で済み、半導体露光装置全体のスルーブツトを
上げることができる等の特長を有した位置合わせ装置を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図はマ
スクとウェハ間の相対振動によるずれを計測した説明図
、第３図は蓄積型センサの光電変換特性を示す説明図、
第４図は本発明の第２実施例の構成を示す要部概略図、
第５図は従来例の位置合わせ装置の概略図、第６図は従
来例のホトディテクタ出力を示す説明図である。 図中、１０１は半導体レーザ、１０２はコリメータレン
ズ、１０３はハーフミラ−１１０４はマスク、１０４ａ
はマスクに書かれたアライメントマーク、１０５はウェ
ハ、１０５ａはウェハに焼かれたアライメントマーク、
１０６は蓄積型ラインセンサ、１０７はＬＤドライバ、
１０８はラインセンサドライバ、１０９は信号処理部、
１１０は変位計、１１１はマイクロコンピュータ−であ
る。 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＲＥα（ＨｚＩ 図面の浄書（内容に変更なし） 〔μ〕 （主１〃の時間領十生） ＴＩＭＥ　［ｒｎＳｅｃ］ 菩３０ 克も少植艇 侃１ｊ由’！ＩＪＬ（ Ｘ） 手続ネ甫正書（方式） 平成　１年　１月 ９日 昭和６３年特許願 ２、発明の名称 第 ２４６６４８号 位置合わせ装置 補正をする者 住所 名称 事件との関係　　　　　特許出願人 東京都大田区下丸子３−３Ｏ−２ （＋００）　　キャノン株式会社 代表者　賀　　来　　龍　三　部 人 〒１５８東京都世田谷区奥沢２−１７−３ベルハイム自
由が丘３０１号（電話７１８−５６１４）昭和６３年１
２月２０日 （発送臼）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光手段からの光束を対向配置した第１物体と第
   ２物体の各々の面上に設けたアライメントマークを介し
   た後、受光手段面上に導光し、該受光手段からの出力信
   号を利用して該第１物体と第２物体との位置合わせを行
   う際、該受光手段は蓄積時間を任意に制御することがで
   きる蓄積型光電変換素子を有しており、該蓄積型光電変
   換素子への蓄積時間を該第１物体と第２物体間の固有振
   動周波数を検出する為に設けた変位計からの出力信号を
   利用して制御したことを特徴とする位置合わせ装置。
2. （２）発光手段からの光束を対向配置した第１物体と第
   ２物体の各々面上に設けたアライメントマークを介した
   後、受光手段面上に導光し、該受光手段からの出力信号
   を利用して、該第１物体と第２物体との位置合わせを行
   う位置合わせ装置において、該受光手段は蓄積時間を任
   意に制御することができる蓄積型光電変換素子を有して
   おり、該蓄積型光電変換素子への蓄積時間を該第１物体
   と第２物体間の固有振動周波数を予め測定し、該測定値
   を該位置合わせ装置内の一部の記憶部に記憶させ、該記
   憶部からの出力信号に基づいて制御したことを特徴とす
   る位置合わせ装置。
3. （３）前記蓄積型光電変換素子への蓄積時間を前記第１
   物体と第２物体間の固有振動周波数の周期よりも長くし
   たことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置合
   わせ装置。
4. （４）前記蓄積型光電変換素子への蓄積時間を前記第１
   物体と第２物体間の固有振動周波数の周期の整数倍とな
   るように設定したことを特徴とする請求項１又は請求項
   ２記載の位置合わせ装置。