JPH0331704A

JPH0331704A - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH0331704A
Application number: JP1169288A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 正樹山本; Takeo Sato; 佐藤　健夫; Shinichiro Aoki; 新一郎青木; Katsumasa Yamaguchi; 勝正山口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1991-02-12

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、半導体（ＬＳＩ）の露光装置等において、マ
スクとウェハ等の２つの物体を互いに位置合わせする装
置に関するものである。

従来の技術従来、サブミクロンのオーダーでマスクとウェハの位置
合わせを行うには、Ｓ、オースチン（アブライトフィシ
クスレタース；ＡＰｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ　Ｖｏｌ　３１．　Ａ７１９７７）らが示しだ２
重回折法を用いた方式や、特開昭６２−５８６２８号公
報に示されている２重回折法と光ヘテロダイン干渉法を
組合わせた方式が提案されている。

第６図は２重回折法の原理説明図である。

入射レーザビーム１０１をフォトマスク１０２に入射さ
せ、フォトマスク１０２上に形成した格子１０３（ピッ
チ間隔ｄ）で回折し、この回折した光をもう一度、ウェ
ハ１０４上に形成した格子１０５によって回折し、二重
に回折された回折光１０６．１０７．１０８・・・を得
る。この回折光は、フォトマスク１０２での回折次数と
ウエノ・１０４での回折次数の２値表示で表わすと、回
折光１０６は（０，１）、回折光１０７は（１，０）、
回折光１０８は（−１，２）で表わすことができる。こ
の回折光をレンズ（図示せず）により重ね合わせ、干渉
光の強度をディテクタ（図示せず）で観測する。回折光
はこの外、入射レーザ光１０１に対して左右対称な方向
にも生じ、フォトマスク１０２とウエノ・１０４の位置
合わせは、左右対称に配置された２つのディテクタの光
強度の差分をＯとすることにより行われる。この方法で
の位置合わせ精度は、１００Ａとされて（・る。

第７図は特開昭６２−５８６２８号公報に示されている
２重回折法と光ヘテロダイン法を組合わせた位置合わせ
方式の説明原理図である。

２波長直交偏光レーザ光源２０１から発した光の一部を
、ビームスプリッタ２０３を介して取り出し、集光レン
ズ２０４を通して光検出器２０５で検出し、基準ビート
信号として、信号処理制御部２０６に入力する。一方、
２波長直交偏光レーザ光源２０１から発した光は、ビー
ムスプリッタ２０３、ミラー２０７を介して偏光ビーム
スプリッタ２０８に入る。

偏光ビームスプリッタ２０８によりそれぞれ水平成分、
あるいは垂直成分のみを有する直交偏光で、しかも、周
波数がわずかに異なる２波長の光に分割され、それぞれ
ミラー２０９．２１０を介して所望の入射角で透過型回
折格子２１１および反射型回折格子２１２に入射する。

回折格子２１１．２１２から得られた回折光をミラー２
１３、集光レンズ２１４を介して光検出器２１５により
検出し、回折光ビート信号として信号処理制御部２０６
に入力する。信号処理制御部２０６では、基準ビート信
号と回折光ビート信号との位相差を検出し、位相差を０
０になるようマスクステージ２１６、およびウェハステ
ージ２１７を相対移動させて、マスク、ウェハの精密な
位置合わせを行う。

発明が解決しようとする課題しかしながら、上記従来例の内、前者（二重回折による
方法）の構成では、フォトマスク１２とウニ・・１０４
の間隔りはｄンλの整数倍（但しｄは格子ピッチ、λは
波長）に設定されるが、この間隔りの設定精度、保持精
度がディテクタ（図示せず）上での光強度に大きく影響
する。すなわち位置合わせ信号のギャップ依存性が大き
い。また、ディテクタ上で観測される回折光に（１，０
）　、　（０，１）、（−２，１）以外の他の回折光も
含まれ、位置合わせ信号のＳ／Ｈの悪化が生じ、実用が
困難であった。

一方、後者（二重回折法と光ヘテロダイン法の併用）の
構成では、光の位相情報を用いるので、前者の課題を解
決することはできる。しかしながら、位相による位置ず
れ検出方式では、位相の変化が３６０°の周期を持つた
め、検出範囲が狭い。このため、位置合わせを正確に行
うには、もう１つ補助的な位置合わせ手段が必要であっ
た。しかもこの補助的な位置合わせ手段を有効に利用す
るためには、運動精度の極めて高℃・ガイド機構が必要
であり、コストアップとなる。

本発明は、以上のような従来の課題を解決するもので、
位置ずれ量の検出範囲を広げることができると共に、位
置合わせ精度の向上を図ることができ、また、コストの
低下を図ることができるようにした位置合わせ装置を提
供することを目的とするものである。

課題を解決するだめの手段上記目的を達成するだめの本発明の技術的解決手段は、
互いにわずかに周波数が異なり、偏光面が異なる直線偏
光光を射出するコヒーレント光源と、この光源からの光
を受けて回折光を生じさせる２つ以上の回折格子を有す
る基準回折格子板と、この基準回折格子板からの回折光
より１つの周波数成分を取り出して、その光を円偏光に
変換する光学素子と、この光学素子を通過した光を結像
する結像光学系と、この光学系により結像された上記基
準回折格子板からの回折光を再回折する１つの回折格子
からなる位置合わせマークと、この位置合わせマークか
らの再回折光を再結像する再結像光学系と、この再結像
光学系により結像された光を受ける２分割以上のホトデ
ィテクタと、このホトディテクタからの信号を処理して
光の振幅情報と光の位相情報により位置ずれを検出する
信号処理系を備えたものである。

そして、上記２分割以上のホトディテクタを１つのホト
ディテクタと高速に開閉することができる２つ以上のシ
ャッターから構成し、また、上記２分割以上のホトディ
テクタを１つのホトディテクタと高速に回転、若しくは
揺動する２以上の窓を持った遮へい板から構成すること
ができる。

作用本発明は、上記構成により次のような作用を有する。

コヒーレント光源から互いにわずかに周波数が異なり、
かつ偏光面が異なる直線偏光光を射出し、基準回折格子
により回折光を生じさせ、光学素子を介して位置合わせ
マークに結像させて再回折させ、この再回折光を再結像
光学系により２分割以上のホトディテクタに導き、ヘテ
ロダイン干渉を起こさせ、このホトディテクタからの信
号を信号処理系により処理して光の振幅情報と光の位相
情報による位置ずれの検出を行うことができる。

実施例以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図ないし第３図は本発明の一実施例における位置合
わせ装置を示し、第１図は全体の概略構成図、第２図は
基準回折格子板上の基準回折格子の平面図、第３図はウ
エノ・上の位置合わせマークの平面図である。

第１図に示すようにコヒーレント光源１かもわずかに周
波数ｆ、、ｆ、が異なり、互いに直交する直線偏光光２
を基準回折格子板３に射出する。基準回折格子板３は第
２図に示すように２つの互いに近接する回折格子４．５
を有し、入射した光による透過±１次回折光６．７を生
じ、この透過上１次回折光６．７は光学素子８．９に入
る。光学素子８．９としては、２周波の光の中から１周
波の光を選ぶ光学素子、例えば偏光子と、直線偏光をな
くし、円偏光に変換するための光学素子、例えば４分１
波長板を組み合わせたものを用いる。

光学素子８．９を通過した光１０．１１は互いにわずか
に周波数が異なった光であり、結像光学系１２．１３を
通って位置合わせテーブル１４上のウエノ・１５面上に
倍率１で結像１６．１７される。この結像１６．１７は
基準回折格子板３の回折格子４．５と同じ輪郭を持って
いる。ウェハ１５上の位置合わせマーク１８は基準回折
格子４．５と同じピッチの回折格子からなるので、位置
合わせマーク１８に入射した結像１６．１７は回折光１
９となり、再結像光学系２０．２１を通って２分割ホト
ディテクタ２２上に再結像する。

２分割ホトディテクタ２２上では互いにわずかに周波数
ｆ、、　ｆ、が異なった回折光１９がヘテロゲイン干渉
を起こし、周波数の差のビート信号を発生する。この２
分割ホトディテクタ２２は１つのホトディテクタと高速
に開閉することができる２つ以上のシャッターから構成
し、または、１つのホトディテクタと高速に回転、若し
くは揺動する２つ以上の窓を持った遮へい板から構成す
ることができる。２分割ホトディテクタ２２で得られた
ビート信号ハ、バンドパスフィルタ（Ｂ　Ｐ　Ｆ）　２
３．２４上通して雑音成分を除去し、続いて検波器２５
．２６に導き、その振幅を求める。その出力の差を差動
アンプ２７により求める。一方、バントパスフィルタ２
３．２４で雑音成分を除去したビート信号とコヒーレン
ト光源１からの基準ビート信号（コヒーレント光源１の
状態を表すビート信号）を位相計２８に導くことにより
、２つの信号間の位相ずれを知ることができる。

以上のような構成において、以下、その位置合わせ動作
について説明する。

今、ウェハ１５上の位置合わせマーク１８と基準回折格
子４．５の結像１６．１７が第４図に示すような位置関
係にあったとする。この時の再回折光１９は、位置合わ
せマーク１８と結像１６．１７が重なった領域２９．３
０から発せられる２つの光からなり、領域２９と３０の
面輝度は同一と考えられるので、領域２９．３０からの
回折光１９を２分割フォトディテクタ２２で受けだ出力
は領域２９と３０の面積比に等しくなる。

つまり、バンドパスフィルタ２２３．２４、被検Ｒ２５
，２６を通った後の信号の電圧比は領域２９と３０の比
に等しくなる。したがって、この電圧を差動アンプ２７
を通して位置合わせテーブル１４にフィードバックする
ことにより、位置合わせマーク１８は第５図に示すよう
に結像１６．１７との重なった領域２９．３０が均等に
なるように結像１６．１７に均等に跨る。このようなバ
ンドパスフィルタ２３．２４、検波器２６ヲ用いた光の
強度検出は、外乱光の影響を受けにくいという利点があ
り、非常に高い検出精度が期待される。しかも、位相計
２８を用いた位置ずれ検出は、更に高い検出精度を持つ
ため、光強度検出、すなわち差動アンプ２７の出力によ
り粗位置合わせな行い、光位相検出、すなわち位相計２
８の出力により精位置合わせを行うことにより、極めて
広い検出範囲と、極めて高（・位置合わせ精度を同時に
実現することができる。

ホトディテクタ２２で検出されるビート信号の基準ビー
トに対する位相遅れは、位置合わせマーク１８の位置に
よって変化する。第３図に示す位置合わせマーク１８が
第２図に示す回折格子４．５のピッチＰの半分Ｐ／２だ
け移動すると、上記位相遅れが３６０°変化する。通常
、位相計２８は１度以下の位相差検出能力を持つので、
位相計２８による位置ずれ検出分解能はｐ　／　２．３
６０となる。

このように、本実施例によれば、極めて高い位置ずれ検
出分解能を維持しながら、極めて広い位置ずれ検出範囲
を持つ位置合わせ装置を得ることができる。例えば位置
合わせマーク１８が５０μｍ×１００μｍの大きさを持
つピッチｐ＝４Ａｍの回折格子であるとすると、検出分
解能６μｍ以下、検出範囲５０μｍ以上の位置合わせ装
置を構成することができる。

なお、上記実施例では、１対１の結像光学系１２．１３
を使用しているが、これを縮小投影光学系としても良い
。この場合、基準回折格子４．５と位置合わせマーク１
８の大きさ、回折格子ピッチを縮小率に従い変える必要
がある。また、基準回折格子４．５をレチクルに置き換
え、いくつかの補正光学系を加えることにより、半導体
縮小露光のＴＴＬアライメントに応用することも容易で
ある。また、ホトディテクタを２個に増やすことにより
、近接して置かれたマスクとウエノ・の２つの位置合わ
せマークの相対位置合わせを行うことも可能であり、特
にＸ線半導体等倍露光装置に応用するのに適している。

発明の効果以上述べたように本発明によれば、コヒーレント光源か
ら互いにわずかに周波数が異なり、かつ偏光面が異なる
直線偏光光を射出し、基準回折格子により回折光を生じ
させ、光学素子を介して位置合わせマークに結像させて
再回折させ、この再回折光を再結像光学系により２分割
以上のホトディテクタに導き、ヘテロダイン干渉を起こ
させ、このホトディテクタからの信号を信号処理系によ
り処理して光の振幅情報と光の位相情報により位置ずれ
の検出を行うことができる。このように、光の位相情報
と振幅情報を組み合わせて位置ずれを検出することによ
り、位置ずれ量の検出範囲を広げることができると共に
、高精度で位置合わせすることができる。また、従来の
ように補助的な位置合わせ手段を必要とせず、したがっ
て、高精度ガイド機構も不要となるので、コストダウン
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の一実施例における位置合
わせ装置を示し、第１図は全体の概略構成図、第２図は
基準回折格子板上の基準回折格子の平面図、第３図はウ
ェハ上の位置合わせマークの平面図、第４図および第５
図は上記実施例による振幅情報を用いた位置合わせ動作
の説明図、第６図および第７図はそれぞれ従来の位置合
わせ装置の説明図である。１・・・コヒーレント光源、３・・・基準回折格子板、
４．５・・・回折格子、８．９・・・光学素子、１２．
１３・・・結像光学系、１４・・・位置合わせテーブル
、１５・・・ウエ１６．１７・・・結像、１８・・・位置合わせマーク、２２・・・２分割ホトディテクタ、２３．２４・・・バンドパスフィルタ、２５．２６・・・検波器、２７・・・差動アンプ、２８・・・位第図相計。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いにわずかに周波数が異なり、偏光面が異なる
直線偏光光を射出するコヒーレント光源と、この光源か
らの光を受けて回折光を生じさせる２つ以上の回折格子
を有する基準回折格子板と、この基準回折格子板からの
回折光より１つの周波数成分を取り出して、その光を円
偏光に変換する光学素子と、この光学素子を通過した光
を結像する結像光学系と、この光学系により結像された
上記基準回折格子板からの回折光を再回折する１つの回
折格子からなる位置合わせマークと、この位置合わせマ
ークからの再回折光を再結像する再結像光学系と、この
再結像光学系により結像された光を受ける２分割以上の
ホトディテクタと、このホトディテクタからの信号を処
理して光の振幅情報と光の位相情報により位置ずれを検
出する信号処理系を備えた位置合わせ装置。
（２）２分割以上のホトディテクタが、１つのホトディ
テクタと高速に開閉することができる２つ以上のシャッ
ターからなる請求項１記載の位置合わせ装置。
（３）２分割以上のホトディテクタが、１つのホトディ
テクタと高速に回転、若しくは揺動する２つ以上の窓を
持った遮へい板からなる請求項１記載の位置合わせ装置
。