JPH0348706A - 位置検出方法 - 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】 （発明の属する技術分野） 本発明は位置検出、例えば、プロキシミテイ型半導体製
造装置に於けるマスクとウェハの相対的位置ずれ検出方
法に関するものである。

〔従来技術〕

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Ｔｆ
Ｌ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５６−１５７０３３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。

上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置たゾーンプレート
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ずれ量を求めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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を行うには、
例えば所定面上の動きを拡大する拡大系等を必要とした
。

しかしながら仮りに拡大系を設けても、その組立精度の
影響や位置合わせ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。

本発明は拡大系等を用いずに、位置ずれ量に対する所定
面上の像の動き員の倍率を大きく設定可能な位置検出方
法を提供する。

本発明は特に、位置ずれ量に対する所定面上の像の動き
量の倍率を太き（設定可能であり、かつ光評価面の設置
精度の許容度を大きくする位置検出方法を提供する事を
第１の目的とする。

本発明の他の目的は後述する本発明の詳細な説明の中で
明からになるであろう。

〔問題を解決するための手段〕

本願発明は、相対位置ずれを検出すべき第一及び第二物
体上にそれぞれレンズ作用を有する物理光学素子を設け
、第一あるいは第二物体に光束を照射し、照射光束が第
一あるいは第二物体上で物理光学素子によりレンズ作用
を受けて発生する前記相対位置ずれに対して異なった動
きをする検出用２光束の間隔を検出して前記相対位置ず
れを検出する際に、所定位置に設定あるいは較正用の物
理光学素子を配置し該光学素子に光束を照射して生じる
設定あるいは較正用２光束の間隔を検出して基準相対位
置ずれ時の前記検出用２光束の間隔値あるいは位置ずれ
量に対する間隔値変動倍率の設定あるいは較正を行なう
様にして位置ずれ量を任意の倍率で検出可能であり、且
つ光評価面の設置精度の許容度を大きく出来る。

ここで本説明中における物理光学素子とは、光学レンズ
やフレネルゾーンプレート等のグレーティングレンズな
どを言うものとする。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例に係る半導体露光装
置の構成概略図、第１図（Ｂ）は同概略斜視図、第１図
（Ｃ）は同マスク、ウェハ周辺部説明図である。図中、
１は第１の物体で例えばマスク、２は第２の物体で例え
ばウェハ、５，３は各々第１の信号光を得る為のアライ
メントマークであり、各々１、２の上に設けである。同
様に６．４は各々第２の信号光を得る為のアライメント
マークであり、同じく各々１．２の上に設けである。各
アライメントマーク３．４．５．６は１次元または２次
元のレンズ作用のある物理光学素子の機能を有している
。７゜８は前述の第１及び第２の７ライメント信号光束
を示す。各アライメントマーク３．４と５．６は、例え
ば１次元あるいは２次元のフレネルゾーンプレート等の
グレーティングレンズより成り、それぞれマスク１面上
とウェハ２面上のスクライブライン１０゜９上に設けら
れている。

１３は光源、１４はコリメータレンズ（またはビーム径
変換レンズ）、１５は投射光束折り曲げミラー１６はピ
ックアップ筐体、１７はウェハステージ、１８は位置ず
れ信号処理部、１９はウェハステージ駆動ｔＡ御部であ
り、Ｅは露光光束幅を示す。２１は受光レンズ（第１図
（Ｂ）以外は略した）、２２は１次元ＣＣＤよりなるセ
ンサである。センサ２２の各受光素子は第１図（Ａ）で
は位置検出方向であるＸ方向に配列されている。光束７
ａは光源１３から出射し、レンズ系１４により所定のビ
ーム径にコリメートされ、ミラー１５で光路を曲げられ
ている。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザー
、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザー等のコヒーレント
光束を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレ
ント光束を放射する光源等である。

尚第１図（Ｂ）に示す様にアライメントマーク５゜６は
位ｆｌＰ、以外１：Ｐ、、Ｐ、、Ｐ４ｊ：も設けられて
おり、それぞれの位置に対し上述のアライメントマーク
３．４や他のピックアツプ筐体１６内部材も各々別設さ
れている（不図示）。

本説明では便宜上位置Ｐ、についてのみ説明する。

本実施例では光束７ａは各々マスク１面上のアライメン
トマーク５．６に所定の角度で入射した後、透過回折し
、更にウェハ２面上のアライメントマーク３．４で反射
回折した光束７．８を受光レンズ２１で集光されてセン
サ２２の受光面上に入射している。

そして、センサ２２からの信号を受けた信号処理装置２
３でセンサ２２で該センサ面上に入射したアライメント
光束のセンサ面内での重心位置を検出し、該センサ２２
からの出力信号を利用して信号処理部１８でマスクｌと
ウェハ２についてＸ方向の位置ずれ検出を行っている。

この検出結果に応じて位置ずれ信号処理部１８が指令信
号を発し、駆動制御部１−９がウェハステージ１７を移
動させて位置合ゎせを行う。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面内容点
のその点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算し
たものを断面全面で積分したときに精分値がＯベクトル
になる点のことであるが、別な例として光強度がピーク
となる点の位置を検出してもよい。

次に本実施例における位置ずれ検出の原理について説明
する。

第２図は本実施例の位置ずれ検出の原理を説明する為の
光路概略図である。本図ではアライメントマーク３，４
は説明の便宜上、反射型ではな（透過型のグレーティン
グレンズとして示しである。センサ２２の受光面の物体
２からの光学的な距離を説明の便宜上同じ値りとする。

更に物体ｌと物体２の距離をδ、アライメントマーク５
及び６の焦点距離を各々ｆａｌ、　　ｆａｘとし、物体
１と物体２のＸ方向相対位置ずれ量をεとし、その時の
第１及び第２の信号光束重心の合致状態からの変位量を
各々Ｓ、。

Ｓ、とする。尚、物体ｌに入射するアライメント光束は
便宜上平面波とし、符合は図中に示す通りとする。

、図に示す様に、ここではアライメント光束７は凸レン
ズ作用を有するアライメントマーク５で集光作用を受け
、凹レンズ作用を有するアライメントマーク３で発散作
用を受けてセンサ２２の受光面上に集光する光束である
。又、アライメント光束８は凹レンズ作用を有するアラ
イメントマーク６で発散作用を受け、凸レンズ作用を有
するアライメントマーク４で集光作用を受けてセンサ２
２の受光面上に集光する光束である。

今マスクｌとウェハ２とが位置ずれのない状態ではアラ
イメントマーク５と３、及び６と４の光軸位置のＸ座標
が、第２図の２点鎖線上に位置するものとすると、位置
ずれのない場合の光束７．８のセンサ２２受光面上の入
射点のＸ方向位置はそれぞれ、図面２点ｔａｎとセンサ
２２受光面との交差位置である。ここで第２図の様にマ
スクｌに対してウェハ２がＸ方向にε（＜０）だけ位置
ずれをおこしたとすると、光学系中の１つの要素が光軸
と垂直な方向に動いた、いわゆる光軸ずれをおこしたの
と同様の状態になり、ウェハから出射する光束７．８の
主光線の出射角が変動し、センサ２２受光面上でのＸ方
向入射位置も２点鎖線上からずれる。

信号光束重心の変位置Ｓ１及びｓ２はアライメントマー
ク５及び６の焦点Ｆｌ　＊　Ｆ　’２とアライメントマ
ーク３，４の光軸位置を結ぶｉｔ！ｉ１と、センサ２２
の受光面との交点として幾何学的に求められる。

従って、物体ｌと物体２の相対位置ずれに対して各信号
光束重心の変位ｆｉｔｓ、、Ｓ２は第２図より明らかな
様にアライメントマーク３．４の光学的な結像倍率の符
合を互いに逆とすることで逆方向となる。

また、定量的には ・・・（ａ） と表わせ、ずれ倍率はβｔ＝Ｓ＋／ε、β２＝Ｓ２／ε
と定義できる。従って、ずれ倍率を逆符合とすると、物
体ｌと物体２のずれに対して、光束７゜８は検出部１１
．１２の受光面で逆方向に、具体的にはそれぞれＳ、、
Ｓ、だけ変化する。

第２図の上側にはアライメントマーク５で入射束を集光
光束とし、その集光点Ｆ、に至る前にアライメントマー
ク３に光束を照射し、これを更に第１の検出部１１に結
像させているアライメントマーク３の焦点距離ｆｂ＋は
レンズの式 を満たす様に定められる。同様に第２図の下側にはアラ
イメントマーク６により入射光束を入射側の点であるＦ
２より発散する光束に変え、これをアライメントマーク
４を介して第２の検出部１２に結像させるアライメント
マーク４の焦点距離ｆｂｚはを満たす様に定められる。

以上の構成条件でアライメントマーク５の点像に対する
、アライメントマーク３の結像倍率は図より明らかに正
の倍率であり、物体２の移動εと検出部１１の光点変位
量Ｓ、の方向は逆となり、先に定義したずれ倍率β、は
負となる。同様にアライメントマーク６の点像（虚像）
に対するアライメントマーク４の結像倍率は負であり、
物体２の移動εと検出部１２上の光点変位量８２の方向
は同方向で、ずれ倍率β２は正となる。

従って、物体ｌと物体２の相対ずれεに対してアライメ
ントマーク５．３の系と６．４の系の信号光束ずれＳ、
、Ｓ２は互いに逆方向となる。

即ち第２図の配置においてマスク１を空間的に固定し、
ウェハ２を図面下側に変位させた状態を考えるとセンサ
２２上でのスポットの光束重心位置間隔りは合致状態で
のスポットの光束重心位置間隔り。

より広がり、逆に図面上側に変位させると狭まる様に変
化する。従つてセンサ２２により光束７．８の光束重心
位置間隔りを求め、あらかじめ求められているり、の値
との差を検出する事によってマスクｌとウェハ２とのず
れ量εが求められる。ここでＤとεとの関係は（ａ）式
より以下の様になる。

この（ｂ）式にＤを代入してεを求める。

ここで実用的な数値例について説明する。

アライメントマーク３．４．５．　６は各々異なった値
の焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又はグレ
ーティングレンズ）より成りでいる。これらのマークの
寸法は各々スクライブライン９及びｌＯの方向に５０〜
３００μｍ１スクライブライン幅方向（ｙ方向）に２０
〜１００μｍが実用的に適当なサイズである。

本実施例においては光束７ａは、マスク１に対して入射
内約１７．５＠で、マスク１面への射影成分がスクライ
ブライン方向（Ｘ方向）に直交するように入射している
。

これらの所定角度でマスクｌに入射した投射光束７ａ、
８はグレーティングレンズ５，６のレンズ作用を受けて
収束、又は発散光となり、マスクｌからその主光線がマ
スクｌの法線に対して所定角度になるように出射してい
る。

そして、アライメントマーク５及び６を透過回折した光
束７と８は各々ウェハ面２の鉛直下方、鉛直上方の所定
点に集光点、発散原点をもつ。このときのアライメント
マーク５と６の焦点距離は各々２１４．７２３．　−１
５６．５７μｍである。又、マスクｌとウェハ２との間
隔は３０μｍである。第１信号光束７はアライメントマ
ーク５で透過回折し、ウェハ２面上のアライメントマー
ク３で凹レンズ作用を受け、センサ２２面上の一点に集
光している。このとき、センサ２２面上へは光束がこの
光束の入射位置の変１１Ｌｌｌｆｌがアライメントマー
ク５．３のＸ方向における位置ずれ正、即ち軸ずれ量に
対応し、かつその量が拡大された状態となって入射する
。この結果、入射光束の重心位置の変動がセンサ２２で
検出される。

又、第２信号光束８はアライメントマーク６で透過回折
し、ウェハ２゛面上のアライメントマーク４で結像点で
のスポット位置を第１信号光束と異なる方向に移動せし
める様に反射回折されてセンサ２２面上の一点に集光す
る。光束８も７同様、入射位置の変動量は軸ずれ量に対
応し、かつ拡大された状態になっている。また７及び８
の回折方位は、入射光側の７°〜１３°程度が適当であ
る。

この時、光束７．８の集光するセンサ２２の受光面の位
置をウェハ面から１８．６５７ｍｍあるいは受光レンズ
２１を介して、ここと等価な位置とすると、各々のずれ
倍率（＝センサ上光束重心位置間隔変化／マスクウェハ
ずれｊｌ）の絶対値が１００倍で方向が逆方向に設定で
き合成で２００倍となる。これにより、マスクｌとウェ
ハ２がＸ方向に０．００５μｍずれると、２つの光束の
重心位置間隔、即ちスポット間隔が１μｍ変化する。こ
のスポット間隔を検出してマスクｌとウェハ２との位置
ずれを検出する。

この時、センサ面のスポット径はアライメントマークの
レンズとしての有効径を２００μｍ程度で、光源として
０．８μｍ帯の半導体レーザーを用いたとすると、略々
２００μｍ程度にそれぞれ設定可能であり、通常の処理
技術を用いてこれを判定することは可能である。

また合致状態に於ける２つのスポット間隔を、例えば２
．０ｍｍ程度に設定しておくのが適当である。

ここで、アライメントマーク５．６の中心間隔を１１０
０ｐ、ウェハａセンサ間隔りを１８　、６５７　ｍ　ｍ
とし、合致状態のオフセット（即ち絶対値）を精度０．
０１ｕｍで設定する場合は簡単な幾何計算で約１９．６
μｍの精度でＬを定める必要がある。またマスク・ウェ
ハずれ３．０μｍの状態で精度０．００３μｍで計測す
る為には、ずれ倍率の設定精度は０．１％以下であり、
これはＬの設定精度として約１８．５μｍ以内に定めな
ければならないこととなる。

しかしながら、一般にセンサはセラミックパ゛ンヶージ
等に実装し、これを検出光学系筐体に固定することとな
るが、これは通常の手法でこの機械精度を得るのは手間
がかかる。

従って本発明では、前述の系に於ける第１物体即ちここ
ではマスク上に物理光学素子を５’、６’を設け、これ
に検出光学系より光束７ａを照射し、前記物理光学素子
のみで検出系のセンサ上に、被位置合わせ物体が合致状
態の際に生じる回折光と、マスク面からの主光線の出射
角と間隔とが等しい回折光７′及び８′を生じる特性を
持たせる様にしている。即ち第１図（Ｂ）の合致状態に
於ける７及び８の光束とこの先に位置する設計値で定め
るところのセンサ位置との交点に向かう光束と主光線出
射角及び間隔が等しい光束７′及び８′を出射する様な
物理光学素子５′及び６′を設計すれば良い。

第３図（Ａ）にこの時の装置の状態の概略を第３図（Ｂ
）に物理光学素子５’、６’の近傍の概略を示す。そし
てこの時得られたセンサ上の２Ｓｐｏｔ間隔を計測して
この値を絶対基準、即ち前述のり、として基準間隔値設
定を行う。あるいはまたこの時の値とり、の設計値とを
比較して前に設定した基準間隔値を較正する。

また、倍率設定あるいは較正は以下の手順で行う。

第３図（Ｃ）に示す様に、前述のマスクからの等価回折
光束７′８′のセンサ面に対する出射角（Ｘ軸への射影
成分）をＱ、及びＱ２とする。設計値で組み立てられた
時のセンサ信号εＤ０、本実施例の較正方法で得られた
信号をＤとし、ΔＤミＤ−Ｄ　０ とすると、センサの設定誤差ΔＬは ΔＬ＝ΔＤ＋／（ｔａｎθＨ＋ｔａｎθ２）となる。従
って Ｌ’　＝Ｌ＋ΔＬ で定められるＬ′を（ｂ）式にあてはめ、どの係数であ
るずれ倍率が定められる。

尚、便宜上受光系として光学系を介在させないものとし
て説明したが途中に光学系を介在させた場合もセンサ位
置変化に対するセンサ信号間隔変化を別途同様の幾何学
計算で容易に求められる。

この実施例では簡単の為、物理光学素子５′６′の特性
として合致状態の回折光を生じるものとしたが、これは
所望なずれ状態のものであっても良い。例えばマスクウ
ェハずれ５μｍの状態の時の２光束と同じ出射角、間隔
の主光線を持っ２光束であっても（ｂ）式を用いてり、
あるいは倍率設定あるいは較正が可能である。

設定あるいは較正時にはピックアップ筐体１６をこの設
定較正用物理光学素子５’、６’を照明かつ光検出可能
な位置まで移動させる。移動精度は設定、較正値が変化
しない程度に充分高くしておく。

第２の実施例を第４図（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する
。

第４図（Ａ）は第２実施例を説明する為の装置状態の概
略図、第４図ＣＢ）は同物理光学素子３′４’、　　５
’、　　６’近傍の該略図である。図中、３′４’、５
’６’は物理光学素子、７’、８’は基準間隔値設定あ
るいは較正用光束、２′は反射鏡である。

本実施例の場合、マスク面上に物理光学素子３′４’、
５’、６’を設け、且つこの下にパターンのない平面＠
２’を間隔ｌたけ隔てて対向させ、検出光学系より照射
する光束の内、物理光学素子５′６′を透過回折し、次
に平面鏡２′にて正反射され、更に物理光学素子３’、
４’を透過回折されて検出系のセンサ上に至る光路を設
定する。そして上述の物理光学素子３’　　４’、　５
’、　６’の特性として、上記２質に於いて検出系のセ
ンサ２２上に被位置合わせ物体（ここではマスクとウェ
ハ）が合致状態の時の回−４光７．８と、マスク面から
の主光線の出射角及び間隔が等しい回折光７’、８’を
発生する様に設計されている。

従って前述の実施例の様にして、センサ２２上の２つの
スポットの間隔を計測し、この値を用いて絶対値り、設
定あるいは較正又、倍率の設定あるいは較正が行える。

上述の物理光学素子３’、４’５’、６’は、露光転写
すべき回路パターンと同様な高精度な描画位置精度で作
成可能であり、本発明に用いる検出原理方式にて説明し
たレンズの中心位置の設定は例えば０．０１μｍ程度が
期待できる。

また、物理光学素子３’、　４’、　５’　　６’の特
性は本発明の目的である位置ずれ検出系の較正の為には
センサ面上の２スポツトのサイズ等を所望の値とする条
件を満足すれば良く、従って物理光学素子３′４′の出
射側のＮＡを位置ずれ検出時用物理光学素子３．４のそ
れと同程度の値とすれば良い。

即ち物理光学素子３’、　４’　　５’、　６’の焦点
距離は任意で良いことになる。但し、マスク１′と平面
鏡２′の間隔ｌの設計値に対する許容度が大きくできる
様に、１組の物理光学素子の片方を直接格子（即ち焦点
距離無限大）とし、他方を前述のセンサウェハ間距離り
に今回のマスク平面鏡間隔ｌを考慮した値を焦点距離と
したグレーティングレンズとしても良い。即ち５′ある
いは６′がｉｌｉ！Ｉ格子で３′４′をレンズとする場
合は焦点距離をＬ−１’とし、逆に３’、４’をｔｉ線
格子で５’、６’をレンズとする場合は焦点距離をＬ−
１１とすれば良い。無論いずれの場合も５’、６’は投
射光束を最も有効に利用できる方向に偏向する特性を持
たせることが好ましい。また当然のこととして物理光学
素子３’　　４’　　５’　　６’の焦点距離の組み合
わせは上記値以外でもよく、数ｍｍ程度の組み合わせに
於いては平面鏡２′を設定する精度内であれば充分満足
しうる。更に第４図（Ｂ）に示す物理光学素子３’　　
４’　　５’　　６’の配列関係は特にこれに限定され
るものではなく３′と５’、４’と６′を入れかえたも
のでも良い。又、前述実施例同様２光束７′８′はマス
ク、ウェハが所定のずれ量を有している時の２光束７．
８と同じ々スフからの出射角及び間隔の主光線を持つも
のであってもよい。

また物理光学素子５’、６’あるいは３′４′５’、６
’は低次の回折次数を用いることが他の不要回折光のセ
ンサ２２への入射量が少なくできる点で好ましいが、光
の数値例の如く斜め方向１７．５＠で入射させ、反射回
折光として入射方向側の７＠あるいはβ０程度の方向に
１次反射光を得るのは回折角として３０６近くなる為物
理光学素子の輪帯幅の少なくなる点で製作上困難さを伴
なう為必要により２次あるいは３次の回折光を用いても
良い。

更に、この物理光学素子５′６′あるいは３′４’、　
５’、　６’はこの様に露光用マスクの周辺部に作成し
ても良いし、第５図に示す様に別の基準間隔値設定ある
いは較正の時だけ装置に設置される専用マスク１′上に
設けても、あるいはまた例えばウェハ上に作成しても、
又適切なサイズにまとめてウェハステージ上あるいはそ
の近傍で検出光学系からの投射光束が照射できる位置に
設定しても良い。

〔発明の効果〕

以上本発明によればマスクとウェハとの相対位置ずれ量
を拡大して検出する事が可能であり、かつ光評価面の設
置精度の許容度を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の第１実施例の
装置のそれぞれ構成概略図、概略斜視図、マスク、ウェ
ハ周辺部説明図、 第２図は同実施例の位置ずれ検出の原理を説明する為の
光路概略図、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は同実施例の基準間隔値設定ある
いは較正時の、それぞれ装置状！！！概略図、物理光学
素子近傍概略図、 第３図（Ｃ）は倍率設定あるいは較正原理説明図、第４
図（Ａ）、ＣＢ）は本発明の第２実施例における基準間
隔値設定、あるいは較正時のそれぞれ装置状態概略図、
物理光学素子近傍概略図、第５図は本発明の他の実施例
における基準間隔値設定あるいは較正時の装置状Ｂ概略
図である。 図中、 １；マスク、 ２；ウェハ、 ３、４．　５．６ １３；光源、 ２２；センサ である。 ；物理光学素子、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）相対位置ずれを検出すべき第一及び第二物体上に
   それぞれレンズ作用を有する物理光学素子を設け、第一
   あるいは第二物体に光束を照射し、照射光束が第一ある
   いは第二物体上で物理光学素子によりレンズ作用を受け
   て発生する前記相対位置ずれに対して異なった動きをす
   る検出用２光束の間隔を検出して前記相対位置ずれを検
   出する際に、所定位置に設定あるいは較正用の物理光学
   素子を配置し該光学素子に光束を照射して生じる設定あ
   るいは較正用２光束の間隔を検出して、基準相対位置ず
   れ時の前記検出用２光束の間隔値あるいは位置ずれ量に
   対する間隔値変動倍率の設定あるいは較正を行うことを
   特徴とする位置検出方法。