JPH0311540B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマスクと基板との間の間隔を所望の値
にした状態でマスクと基板とをアライメントして
マスクに形成された回路パターンを基板上に露光
するプロキシミテイ露光装置に関するものであ
る。

従来のコンタクト型マスクアライメント装置に
おいては、マスクと、ウエハなどの被加工半導体
基板（以下、ウエハと略称する）とを密着させて
露出するため、マスクとウエハとの接触面に傷を
生じ易いという欠点があつた。そこで10〜20μｍ
程度のプロキシテイ・ギヤツプｄをマスクとウエ
ハとの間に保つて露光する方式が案出された。し
かし、この方式においてはマスクとウエハとを厳
密に平行に保たねばならないので、従来の装置に
おいては一旦マスクとウエハとを密着させて両者
を平行にする操作を行うようになつている。この
ため、傷の発生が完全には防止できなかつた。

前述のごとくウエハとマスクとを平行に保たね
ばならない理由と、接触によつて傷を生じ易い事
情とについて、Ｘ線マスクアライナを概念的に示
した第１図を参照しつつ次に説明する。１はウエ
ハ、２はマスクである。マスク１はＸ線が透過し
易いように部分的に薄くする必要があり、この部
分の厚さｔは１〜2μｍである。このため密着操
作の際に破損し易い。

また、Ｘ線光源２９から投射したＸ線は放射状
に拡がるので、マスク２のパターンは若干拡大さ
れてウエハ１に投影され、半径Ｒのマスク回路パ
ターンはウエハ面上で半径Ｒ＋δとなる。

上記の拡大寸法δはδ≒Ｒ×ｄ／ｌで表わされる。

ただし、 ｌ：一光源２９とマスク２との距離、 ｄ：一マスク２とウエハ１との距離。

ｌ＝500mm、ｄ＝10μｍ、Ｒ＝40mmのときδ＝
0.8μｍとなるが、マスク２とウエハ１との距離ｄ
が一定でないとδの値も場所によつて異なる。

上述の例において、ｄ寸法が10±1μｍとなる
と、δ＝0.8±0.08μｍとなる。このように、ウエ
ハ上に投影されるパターンの大きさが間隔寸法ｄ
の関数となるので、間隔を一定に保たないと正確
な投影ができない。

間隔寸法ｄを一定に保つということは、１回の
露光工程においてマスク２とウエハ１とを平行に
してパターン上の各部について間隔を一定にする
ことのみでなく、数回の露光を繰返す間毎回の間
隔を等しくしなければならないことを意味する。

実際の産業において、例えば線幅2μｍのLSI製
造プロセスではアライメント精度を0.2μｍ以下に
する必要があり、このときの間隔寸法ｄの均一性
は10±2μｍに保たねばならないが、従来マスク
とウエハとを迅速かつ容易にこのような高精度で
間隔設定し得る適当な装置が無かつた。

本発明の目的は、上述の事情に鑑み、基板（ウ
エハ）とマスクとの間隙を一定に保持することと
両者をアライメントすることとを迅速に、且つ容
易に高精度に行うができるようにしたプロキシミ
テイ露光装置を提供しようとするものである。

本発明は、マスクと基板とを所望の間隔を形成
した状態でマスクに形成された回路パターンを基
板上に露光するプロキシミテイ露光装置におい
て、マスク上に形成された直線状のマスクアライ
メントパターンと上記基板表面上に形成された直
線状の基板アライメントパターンとからの反射光
を集光する対物レンズと、該対物レンズによつて
得られるマスクアライメントパターンの光像と基
板アライメントパターンの光像とを、互いに上記
間隔に対応させて光路長を変えて同一受光位置に
結像させる光学系と、該光学系によつて受光位置
に結像されたマスクアライメントパターンの光像
と基板アライメントパターンの光像を受光して映
像信号を得る光電変換手段とを有するアライメン
ト検出装置を、マスク及び基板表面上の複数箇所
に形成されたマスク及び基板アライメントパター
ンに対応させて複数備え、更に該各アライメント
検出装置の各光電変換手段から得られる映像信号
に基いてマスクと基板とを相対的に移動させて両
者をアライメントするアライメント装置を設け、
上記基板アライメントパターンに平面的にほぼ直
交するスリツト状のパターンを、上記各アライメ
ント装置の各対物レンズを共用し、且つ通して上
記基板アライメントパターンの付近に投影するス
リツト状のパターン投影手段と、該スリツト状の
パターン投影手段によつて投影されたスリツト状
のパターンの反射光を上記対物レンズを共用して
集光させてこの一部を通すように該反射光の結像
位置に設けられた移動スリツトと、該移動スリツ
トを通して得られる光を、更に結像させるレンズ
と、該レンズにより結像された光を受光して焦点
信号に変換する光電変換手段とを有する自動焦点
光学系を、上記アライメント検出装置に対応させ
て複数備え、更に上記基板を支承して各々自在に
上下動する複数の支承手段を設けて上記各アライ
メント検出装置の各光電変換手段から合焦点信号
が得られるように上記支承手段を上下に駆動せし
めてマスクと基板との間の間隔を所望の値に制御
する間隔制御装置を設けたことを特徴とするプロ
キシミテイ露光装置である。

次に、本発明の一実施例を第２図および第３図
について説明する。

第３図に示すごとくウエハ１の表面に３個のウ
エハアライメントパターン１ａ，１ａ，１ａが設
けられている。第２図は１個のアライメントパタ
ーン１ａに対応する１組の自動焦点光学系Ａおよ
びパターン位置検出光学系Ｂを抽出して示す。第
３図は３個のアライメントパターン１ａ，１ａ，
１ａに対して各１組の自動焦点光学系とパターン
位置光学系とを配設した全体的斜視図である。

第２図に示すごとく、ウエハ１は真空吸着式の
ウエハホルダ２２に吸着されている。このウエハ
ホルダを３個のＺ移動台２４…（２個のみ図示
す）により、XYθ移動台２８の上に支承する。
このXYθ移動台２８は公知のごとく、載置した
物体を水平面内で直交する２軸の方向に移動させ
ることと、水平面内で回転させることのできる支
持手段である。

Ｚ移動台２４は自在に上下動せしめ得る支持手
段であり、本例においては圧電素子を用いてあ
る。圧電素子を用いると駆動分解能1μｍ以下の
高精度で微動操作できるので都合がよい。

本例は以上のようにして、自在に上下動せしめ
得る複数個の支承手段によつてウエハを支承す
る。

ウエハ１の表面に設けたウエハアライメントパ
ターン１ａの上方に倍率Ｍの対物レンズ３を位置
させる。この対物レンズ３は後述のごとく自動焦
点光学系Ａとパターン位置検出光学系Ｂとの両方
に兼用するものである。

自動焦点光学系Ａは、ランプ２１、レンズ２
０、固定スリツト１９、ハーフミラー１５、対物
レンズ３、移動ストリツト１６、シリンドリカル
レンズ１７、及びセンサ１８からなり、次記のよ
うにしてウエハ１の上面に設けられたウエハアラ
イメントパターン１ａの上下方向の位置を検出す
る。

第４図は前述の自動焦点調節光学系Ａの作動説
明図である。

スリツト１９は紙面に垂直な細長い開口を有し
ランプ２１の光はレンズ２０で集光されてスリツ
ト１９を通過し、ハーフミラー１５を経て対物レ
ンズ３で絞られ、ウエハ１の上面を照射して反射
する。反射光はハーフミラー１５で反射され、移
動スリツト１６、シリンドリカルレンズ１７を経
てセンサ１８に入射する。

上記の移動スリツト１６は紙面に垂直な方向の
細隙を有し、ｉ点を中心として振幅Ｃの振動をし
ている。この移動スリツト１６を通過した光がシ
リンドリカルレンズ１７で集光されてセンサ１８
に入射する。本図に示すようにウエハ１の表面が
対物レンズ３の焦点位置にあると、ウエハ１の表
面で反射された光はｉ点に結像して光束が集ま
る。従つて移動スリツト１６がｉ点にあるとき、
光束は移動スリツト１６によつて殆ど遮られるこ
となく通過するが、移動スリツト１６がｉ点から
離れると光束の一部を遮るようになる。

第５図のＡ，Ｂ，Ｃはそれぞれウエハ１の表面
位置によつて移動スリツト１６が光を遮る様子を
示している。

本図は横軸に移動スリツト１６の位置をとつた
図表で、ｉは前述の振動中心、Ｃは振幅を示して
いる。

同図Ａはウエハ１が上方にεだけ偏位した場合
を示し、結像点はｉよりも左方に＋ε×M²だけ
偏つたi′点となる。

ただし、＋εの正符号はウエハ１が上方へ偏つ
たことを意味する。Ｍは対物レンズ３の倍率であ
る。

この条件では、移動スリツト１６がi′点にある
ときに光の通過が最大となる。従つてセンサ１８
の出力信号波形はカーブD′のように点i′でピーク
を示す。

同図Ｂはウエハ１が正規位置にある場合で、こ
の場合出力信号波形Ｄはｉ点でピークを示す。

同図Ｃはウエハ１が下方にεだけ偏つた場合を
示し結像点はｉ点よりも右方に−ε×M²だけ偏
つたi″点となる。この場合、出力信号波形はi″点
でピークを示す。

たとえば、対物レンズ３の倍率が40×で、±ε
＝±1μｍの場合、±ε×M²＝±1.6mmである。即
ち、i′点及びi″点はｉ点から1.6mmだけ偏つた位置
となる。このように、ウエハ１の表面位置の微小
な偏りは、信号出力波形のピーク位置の偏りとし
て拡大されるので鋭敏に偏りを検出することがで
きる。

本実施例は以上のように構成された光学系、即
ち、ウエハ１の表面に設けられたアライメントパ
ターン１ａの付近を光学的に投影して結像させる
手段と、その結像位置を検出する手段とよりなる
自動焦点光学系を、第３図に示すように３組設置
する。

前記の移動スリツト１６を振動させるには電磁
力を用い、又はセラミツク素子（バイモルフ等）
を用いると好都合である。

第２図について述べたようにして移動スリツト
１６の位置とセンサ１８の信号出力波形との関係
によつてウエハ１の上下方向の偏り寸法を検出し
たならば、その信号出力をＺ移動台２４にフイー
ドバツクし、ウエハ１の偏りを修正するようにＺ
移動台２４を上下動させる。

上記のＺ移動台２４として圧電素子を用いると
1μｍ以下の微小寸法の駆動を高精度で行い得る
ので好都合である。

本例は第３図に示すごとく自動焦点光学系を３
組設けてあり、かつＺ移動台２４を３個設けてあ
る（１個のみ図示す）ので、ウエハ１の位置の上
下方向の偏りを３個所で検出し、この偏りを零に
するようにＺ移動台２４，２４，２４をそれぞれ
作動させることができる。

ウエハ１は剛体と見做し得るので、３個所でそ
の高さ方向の位置を規制することによつて、その
高さを特定して水平に保持することができる。即
ち、第３図に示した矢印Ｚ方向の位置と矢印α方
向の角位置と、矢印β方向の角位置とを特定し得
る。

上述のごとく、自動焦点光学系Ａはウエハ１の
表面における反射光の結像位置を検出するので、
この作用に関してはウエハアライメントパターン
１ａの存在を必要としない。

しかし、前述のごとく自動焦点光学系Ａとパタ
ーン位置検出光学系Ｂとは対物レンズ３を共用し
ているので、ウエハアライメントパターン１ａの
像も移動スリツト１６の付近に結像し、その光束
がセンサ１８に入射する。そして、上記のウエハ
アライメントパターン１ａは通常第６図に示すよ
うにウエハ１の表面に設けられたSiO₂の被覆の
段差として形成されるので、前記の自動焦点光学
系Ａによるウエハ面への投射光がこのウエハアラ
イメントパターン１ａに小さいスポツトとして集
光すると、段差部による光の散乱のために前述の
焦点位置（ｉ，i′若しくはi″）の測定ができなく
なる。

本実施例におけるスリツト１９及び移動スリツ
１６は既述のごとく細長い形状の開口部を有して
おり、第３図に示すごとく細隙が水平になるよう
に設置する。このため光源２１の光はウエハ１の
表面のＦ部のごとく、線状のウエハアライメント
パターン１ａと直交する細長い区域を照射し、こ
のＦ部で反射した光が移動スリツト１６付近に結
像する。

第７図は移動スリツト１６付近に到達する光を
等価的に示した図であり、点線で囲んでハツチン
グを付した区域１９′はスリツト１９を通過した
光束が通過する区域を示している。既述のごとく
本発明装置における自動焦点光学系はパターン位
置検出光学系と対物レンズ３を共用しているの
で、鎖線で示した２a′の如くマスクアライメント
パターン２ａの像が重なる。ただしこの像２a′の
大部分は移動スリツト１６によつて遮られてセン
サ１８には達せず、前述した区域１９′に相当す
る部分のみが移動スリツト１６を通過してセンサ
１８に入射し、自動焦点作用を果たす。上述のご
とく自動焦点作用に関与する結像１９′の内には、
ウエハアライメントパターン１ａによる反射像１
a′が含まれるが、本例におけるアライメントパタ
ーン投影手段はウエハアライメントパターン１ａ
に直交する細長い区域の映像を投影する構成であ
るため、第７図から容易に理解し得るごとく、投
影光像１９′の内でウエハアライメントパターン
１ａによる散乱を蒙るのは極く小部分に過ぎない
ので、ウエハアライメントパターン１ａが自動焦
点作用に及ぼす誤差は事実上無視し得る程度に僅
少である。

以上のように自動焦点光学系を用いてウエハ１
を規定位置にセツトしたならばランプ２１を消
し、パターン位置検出光学系を用いて次記のごと
くにしてマスク位置を正しくセツトする（第２図
参照）。

ランプ７の光はハーフミラー５で反射され、対
物レンズ３で集光されてマスクアライメントパタ
ーン２ａ、およびウエハアライメントパターン１
ａを照射し、反射される。

マスクアライメントパターン２ａおよびウエハ
アライメントパターン１ａによる反射光は対物レ
ンズ３で集光され、光路、又は光路を通つて
リニアセンサ１４に入射するが、マスクアライメ
ントパターン２ａとウエハアライメントパターン
１ａとは距離ｄだけ離れているので、適宜の方法
を用いて光路長を揃えなければ双方の像がリニア
センサ１４上に同時に焦点を結ぶことができな
い。第８図はその事情を模式的に示した説明図で
ある。説明の便宜上、焦点距離の等しい２個の対
物レンズ３，３を等高に並べて描いてある。線１
a″はウエハアライメントパターン１ａの高さを、
線２a″はマスクアライメントパターン２ａの高さ
をそれぞれ表わしている。

線１a″と線２a″とは距離ｄだけ離れているの
で、線１a″の結像点D₁aと線２a″の結像点D₂aと
は距離ｄ×M²だけ離れる。但しＭは対物レンズ
３の倍率である。

このため、第９図○イに示すようにマスクアライ
メントパターン２ａにピントを合わせるとウエハ
アライメントパターン１ａの像がボケを生じ、同
図○ロに示すようにウエハアライメントパターン１
ａにピントを合わせるとマスクアライメントパタ
ーン２ａの像がボケる。

このように、ウエハアライメントパターン１ａ
の結像光路はマスクアライメントパターン２ａ
の結像光路よりも短かい。

このため、第２図に示すように対物レンズ３を
通過した光をハーフミラー８とミラー９とによつ
て直角に２回屈折させてなる光路と、ハーフミ
ラー１３、ミラー１２、同１１およびハーフミラ
ー１０によつて直角に４回屈折させることによつ
て光路長を長くした光路とを設けてある。これ
によりウエハアライメントパターン１ａの反射光
は短かい光路を経てリニアセンサ１４で結像
し、マスクアライメントパターン２ａの反射光は
長い光路を経てリニアセンサ１４で結像し、第
９図○ハのようにマスクアライメントパターン２ａ
とウエハアライメントパターン１ａとが同時にピ
ントを結ぶ。

以上のようにして、３組設けられたパターン位
置検出光学系の各組ごとにウエハアライメントパ
ターン１ａの像とマスクアライメントパターン２
ａの像とをリニアセンサ１４に結像させ、３個の
リニアセンサ１４，１４，１４の出力信号波形に
よつてマスクアライメントの位置ずれを検出し、
前記のXYθ移動台２８（第２図）を作動させて
位置ずれを修正するとマスクアライメント作業が
完了する。

本実施例のように、自動焦点光学系と、光路長
の異なる二つの光路，をハーフミラーによつ
て整合するパターン位置検出光学系とを組み合わ
せることにより、対物レンズ３を上記の両光学系
に共用すると対物レンズの設置所要個数を半減す
ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、基板上
に形成された直線状基板アライメントパターンの
領域を用いて対物レンズを共用して基板（ウエ
ハ）とマスクとのアライメントと、マスクに対す
るマスクと基板との間隔を一定に制御すること
（基板表面の合焦点制御）とを光源からの出力を
切り換えるだけでできるようにしたので、対物レ
ンズ等の検出光学系や基板等を移動させる必要が
なく、アライメントと基板表面の合焦点制御によ
る間隔制御とを迅速に、且つ容易に、更に振動の
発生を極力少なくして高精度に行なうことができ
る効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸ線マスクアライナの機能を説明する
ための概要的な垂直断面図、第２図は本発明の一
実施例における基本構成を示す垂直断面図第３図
は本発明の一実施例に係るマスクアライメント装
置の全体的斜視図、第４図は自動焦点光学系の作
動原理を示す光路図、第５図は同作動状況を示す
図表、第６図はウエハアライメントパターンの部
分的拡大斜視図、第７図は自動焦点光学系の投影
像を等価的に表わした図形、第８図は対物レンズ
による結像の光路を示した図表、第９図はパター
ン位置検出光学系の投影状態を模式的に表わした
図形である。 １……ウエハ、１ａ……ウエハアライメントパ
ターン、１ｂ……ウエハ回路パターン、２……マ
スク、２ａ……マスクアライメントパターン、２
ｂ……マスク回路パターン、３……対物レンズ、
４，９，１１，１２……ミラー、５，８，１０，
１３，１５……ハーフミラー、６……コレクタレ
ンズ、７，２１……ランプ、１４……リニアセン
サ、１６……移動スリツト、１７……シリンドリ
カルレンズ、１８……センサ、１９……固定スリ
ツト、２０……レンズ、２２……ウエハホルダ、
２４……Ｚ移動台、２８……XYθ移動台。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスクと基板とを所望の間隔を形成した状態
   でマスクに形成された回路パターンを基板上に露
   光するプロキシミテイ露光装置において、 マスク上に形成された直線状のマスクアライメ
   ントパターンと上記基板表面上に形成された直線
   状の基板アライメントパターンとからの反射光を
   集光する対物レンズと、該対物レンズによつて得
   られるマスクアライメントパターンの光像と基板
   アライメントパターンの光像とを、互いに上記間
   隔に対応させて光路長を変えて同一受光位置に結
   像させる光学系と、該光学系によつて受光位置に
   結像されたマスクアライメントパターンの光像と
   基板アライメントパターンの光像を受光して映像
   信号を得る光電変換手段とを有するアライメント
   検出装置を、マスク及び基板表面上の複数箇所に
   形成されたマスク及び基板アライメントパターン
   に対応させて複数備え、更に該各アライメント検
   出装置の各光電変換手段から得られる映像信号に
   基いてマスクと基板とを相対的に移動させて両者
   をアライメントするアライメント装置を設け、 上記基板アライメントパターンに平面的にほぼ
   直交するスリツト状のパターンを、上記各アライ
   メント装置の各対物レンズを共用し、且つ通して
   上記基板アライメントパターンの付近に投影する
   スリツト状のパターン投影手段と、該スリツト状
   のパターン投影手段によつて投影されたスリツト
   状のパターンの反射光を上記対物レンズを共用し
   て集光させてこの一部を通すように該反射光の結
   像位置に設けられた移動スリツトと、該移動スリ
   ツトを通して得られる光を、更に結像させるレン
   ズと、該レンズにより結像された光を受光して焦
   点信号に変換する光電変換手段とを有する自動焦
   点光学系を、上記アライメント検出装置に対応さ
   せて複数備え、更に上記基板を支承して各々自在
   に上下動する複数の支承手段を設けて上記各アラ
   イメント検出装置の各光電変換手段から合焦点信
   号が得られるように上記支承手段を上下に駆動せ
   しめてマスクと基板との間の間隔を所望の値に制
   御する間隔制御装置を設けたことを特徴とするプ
   ロキシミテイ露光装置。