JPH038098B2

JPH038098B2 -

Info

Publication number: JPH038098B2
Application number: JP59261655A
Authority: JP
Inventors: Richaado Torutona Junia Uiriamu
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1983-12-19
Filing date: 1984-12-11
Publication date: 1991-02-05
Also published as: JPS60143632A; US4631416A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術分野〕本発明はウエーハとマスクのアライメント装置
に関し、具体的には回折格子を用いたアライメン
ト装置に関する。

〔従来技術〕

集積回路（IC）は、回路部品とその結線を形
成するように所定のパターンに従つて形成した１
組の層をウエーハの上に作ることによつて製造す
る。フオトリトグラフ法（光食刻法）で形成する
回路においては、パターンに従つて形成すべき層
を最初に感光フオトレジストで覆う。前記フオト
レジストはフオトレジスト層の上に所望の回路パ
ターンを結像させることによつて露光される。露
光したレジストはレジストの形式によつて露光し
たレジストまたは未露光レジスト部分を除去され
る。

次にプラズマ・エツチングや化学的エツチング
等のエツチングまたは蒸着法によつて、パターン
を下の層に移す。

フオトリトグラフ法において必要なことは、各
マスク層の先のパターンに従つて形成した層に対
して精密に整列または重ねることである。直接書
込みＥビームフオトリトグラフ法のような他の種
類の方法においてさえ、ウエーハへの各書込み段
階ごとに、ウエーハをＥビーム装置に精密に整列
させることは重要である。現在、集積回路の密度
を制限しているのは光学的な分解能ではなく、ア
ライメント精度である。生産工程で用いるために
は、アライメント装置は高速で再現可能で高い精
度のアライメントを作り出さなければならない。
スループツトと歩留りを改善するためには、アラ
イメント装置を自動化することが有益である。

ステツプ・アンド・リピート露光装置（ステツ
パ）という一種の露光装置においては、一度に１
つまたは複数の集積回路の像を含むウエーハの一
部分だけを露光することによつて分解能とアライ
メント精度を高める。一般に、露光面積を小さく
すると分解能は増大する。各露光の後、ウエーハ
は次の露光の正しい位置までxy並進移動台の上
を移動させられる。一般的な露光面積は１cm²より
小さいので、直径が10cmのウエーハを露光するに
は一般に100回以上の工程が必要である。グロー
バル・アライメント・ステツパにおいては、各ウ
エーハはウエーハ上の１対のアライメント・マー
クを使用して一度だけ各マスクに整列し、ウエー
ハのｘ位置とｙ位置を整列し、ウエーハを適切な
回転アライメントのためにｚ軸の周りに回転す
る。露光域単位のアライメント・ステツパにおい
ては、各露光域ごとにアライメントを行なう。例
えばマスキング工程相互間の処理によつて引起こ
されるウエーハの歪を補償するため、各露光域ご
とに焦点合わせをやり直すこともある。

アライメント装置の設計において考慮すべき重
要事項は、フオトレジスト処理のアライメント・
マークの鮮明度に対する影響である。現在のとこ
ろ、ステツパ・レンズはただ１つの波長または２
つの非常に近い波長で鮮明な像を作るように設計
されている。従つて、最も精密なアライメント装
置は、ウエーハ上のアライメント・マークを見る
ために露光波長の単色光を利用している。フオト
レジストによる吸着があつたり、レジスト層内の
単色光の定在波によつて反射率が変動したりする
と、ウエーハ上のアライメント・マークから反射
される光の量が大幅に低下することがあり、それ
によつてアライメント精度が劣化する。定在波は
またフオトレジストの露光の変動を引起してパタ
ーンの劣化を招く。このような定在波を除去する
ため、フオトレジストの下に露光波長で強く吸収
する層を利用するフオトリトグラフ法もある。そ
のような方法においては、ウエーハ上のアライメ
ント・マークは特に検出するのが困難である。

アライメント法は２種類に大別される。第１の
方法においては、ウエーハとマスクは別々に第３
の基準となる物体に整列される。第２の方法にお
いては、ウエーハとマスクは直接互いに整列され
る。グローバル・アライメントを使用する装置と
して、マスク上のマークをマスク支持プラテン上
のマークに整列させることによつてマスクを相互
に露光光学系に整列する装置もある。前記装置で
は、支持プラテン自体は露光光学系に整列させら
れる。ウエーハは、ウエーハ上の１対のマークの
各々を軸はずれアライメント顕微鏡（露光光学系
から横方向に移動した顕微鏡）の２つの対物レン
ズの各々の内にある参照マークに整列することに
よつて相互にこの顕微鏡に整列させられる。ウエ
ーハ・マークの一方はxyアライメント用に使用
し、他方のウエーハ・マークは回転アライメント
用に使用する。このアライメントの後、ウエーハ
の台を干渉計によつて制御される一定距離だけ移
動し、ウエーハの露光域を露光光学系の軸に整列
する。露光に使用する光学系とは別の光学系をア
ライメントに使用することによつて、各々の役目
を最適化することができるが、精密なアライメン
トは露光光学系とアライメント顕微鏡とマスク支
持プラテンの位置が安定しており、これらの間の
相互接続部品の熱膨張が安定していてはじめて実
現される。

前記装置を自動化したGCAサイトアライナは
ウエーハ・アライメント・マークとして円形フレ
ネル帯を利用する。軸はずれアライメント顕微鏡
の代わりにレーザ光源と象限儀（quardrant）検
出器が使用される。帯プレートはレーザ光を関連
するレンズを通して集束するレンズとして働き、
象限儀検出器によつて検出される輝点を生ずる。
ウエーハの台は象限儀検出器からの信号に応答し
て自動的に移動させられて集束したレーザ光を象
限儀検出器の中心に向ける。

ウエーハ上の４個のアライメント・マークを、
フオトレジストが反応しない波長の光が軸上照射
するCensor SRA−100ステツパなどの装置もあ
る。この装置では、露光光学系は別の波長に合わ
せて設計しているので、光路を調節するために焦
点距離補償鏡を使用し、ウエーハ・アライメン
ト・マークの像をマスクの４つの窓を通して検出
器に焦点を合わせる。４つの窓に対する４個のア
ライメント・マークの完全自動アライメントを各
露光域ごとに行なう。

フイリツプス・リサーチ・ラボラトリーズ
（Phillips Research Laboratories）社が開発し
たステツパにおいては、マスクはｘ軸に平行な線
を有する線形回折格子を含む。レーザ・ビームが
この回折格子に照射され、そして不透明な障壁に
形成した１対の穴がこの回折格子から反射された
２本の１次回折ビームだけを通す空間フイルタと
して働く。この２本のビームはマスク上に結像さ
れて互いに干渉し、マスク上に正弦波状に変化す
る強度の光を作り出す。複屈折板がこの２本のビ
ームの各々を、互いに横方向にわずかにずれた２
本の互いに直角に偏光したビームに分割するの
で、互いに直角に偏光した光の２つの正弦波パタ
ーンがマスクに形成される。これら正弦波パター
ンが形成されるマスク上の点では、マスクはこれ
ら正弦波パターンの波長と同一間隔の１組の不透
明な平行線を含む。マスク上の不透明な平行線が
２つの正弦波パターンの各々を等量しや断したと
きアライメントが起つたことになる。マスク上の
平行線のこのパターンを通る光はまた一定周波数
で回転する偏光方向を有する偏光子を通るので、
２つの偏光された正弦波パターンは交互に偏光子
を通る。この光は検出器に達し、この検出器はウ
エーハとマスクの相対位置を変えてｘ軸アライメ
ントを制御するために使用される信号を発生す
る。この装置には、ｙ軸アライメントを制御する
ためのｙ軸に沿つた回析格子を有する同様のシス
テムも設けられている。

第３図に示されている従来のアライメント装置
においては、マスクはｙ軸に平行な回折格子線を
有する１次元振幅回折格子１１を含み、ウエーハ
はそれぞれｘ軸とｙ軸に平行な行と列を有する２
次元の振幅格子または位相格子１２を含む。レー
ザ光線がマスク格子を通して照射され、投影レン
ズ１３によつて集束され、ウエーハ格子１２上に
マスク格子１１の像を形成する。マスク格子１１
の像の輝線がウエーハ格子１２の各列の間にある
と、像は１次元格子として機能して光をxz平面
内で各種の回折次数に回折する。マスク格子１１
の像線がウエーハ・マークの上に重なると、光は
ｘ方向とｙ方向の両方に回折される。この装置で
は、yz平面内の１次の回折されたビームを監視
してｘ方向でのアライメントを確認する。別の同
様の１対の回折格子を使用してｙ方向のアライメ
ントを監視する。1977年10月１日刊のアプライ
ド・フイジツクス・レターズ（Applied Physics
Letters）、Vo1.31、No.７、426ページに「新しい
干渉計アライメント技術」（Ａ new
interferometric alignment technique）という
表題の下に記載されたアライメント装置において
は、マスクとウエーハの各々は同一の線間隔を有
する１対の平行な１次元格子の一方を含む。垂直
に入射するレーザ・ビームはマスク格子によつて
各種の回折次数に回折され、ウエーハ格子に入射
するこれら回折次数の各々はさらに回折されて新
たな回折次数を発生する。マスク格子が直接ウエ
ーハ格子の上に整列させられると、各プラスの次
数の出力回折ビームはそれに対応するマイナスの
次数の出力回折ビームに強度が等しい。この装置
では、ｘ方向のアライメントは＋１と−１の前記
新たな回折次数が等しい場合に成立したと定義さ
れる。ｙ方向のアライメントを検出するために同
様の１対の格子を使用する。この装置の問題は、
例えばウエーハ格子の作製の後、ウエーハ処理工
程によつてマスクまたはウエーハ上の線がブレー
ズ（格子溝の変歪）状態にされることによつて、
この装置のアライメント状態が狂うことがあるこ
とである。

〔発明の目的〕

本発明は、２つの物体を精度良く整列するよう
にしたアライメント装置を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

本発明によれば、互いに整列すべき物体の上に
回折格子を利用するアライメント装置が提供され
る。本発明の実施例においては、一方の物体はウ
エーハであり、他方の物体はウエーハに整列すべ
きマスクである。ウエーハとマスクの各々はこの
アライメントを実現するために利用する回折格子
を含む。しかし、このアライメント装置は他の対
の物体の精密なアライメントに使用するのにも適
している。

マスクとウエーハを露光光学系のような第３の
物体に別々に整列させる場合に起こるようなアラ
イメント誤差が付加されないように、アライメン
ト装置は直接マスクをウエーハに整列させること
が有益である。露光の間、アライメントを維持す
ることができるようにアライメントは軸上に行な
うべきである。使用する波長は、色収差によるア
ライメント誤差が最小限にとどまるように露光波
長と同一かそれに近くすべきである。

また、スループツトを改善するためにアライメ
ントを自動化してアライメントを迅速かつ精密に
行なうことができるようにすることが有益であ
る。定在波干渉がウエーハ上のアライメント・マ
ークから反射される光の量を減らすときに生ずる
低強度レベルにおいて、特に手動アライメントが
引起こす本質的な変動によつて手動アライメント
に必要となるようなエツジ検出やパターン認識の
使用を不要とすべきである。フオトリトグラフ法
の技術で使用できるように、アライメント装置は
0.15μｍより高いアライメント精度（統計学にお
ける３シグマ以内）をも有すべきである。アライ
メント装置はまた、レジストの下の層が露光波長
で高い吸収率を示す多層レジスト法を含む各種の
多層レジスト法に適合すべきである。

本明細書に開示したアライメント装置において
は、マスクはウエーハ上の回折格子に整列すべき
回折格子を含む。単色平行光はマスク上の回折格
子によつて回折され、回折された光は光学素子に
よつてウエーハ格子上に集束される。各種の次数
の回折出力光を発生するよう、ウエーハ格子はこ
の光をさらに回折する。アライメントを検出する
ようこの出力光を監視する。この装置において
は、ゼロ次の出力回折光が極値にあるときアライ
メントが起つたことになる。

まず、本発明の原理を第２Ａ図、第２Ｂ図を用
いて説明する。両図において、２つの透過形位相
格子２１と２２は極めて接近している。これらの
格子２１，２２の各々の深さｄは、格子内の山２
３を通つて伝送される光と格子内の谷２４を通つ
て伝送される光の間の位相差を制御するように選
択する。第２Ａ図のように格子２１の山が格子２
２の山上に整列すると、各格子によつて引起され
る位相偏移は互いに加算される。各格子によつて
π／２の位相偏移が生ずるように深さｄを選択す
ると最大量の回折が生ずる。第２Ｂ図に示すよう
に、格子２１の山が格子２２の谷の上にあるよう
に格子２１と２２を整列させると、格子２１の山
を通る光は格子２２の谷も通る。格子２１により
引起される位相偏移が格子２２により引起される
位相偏移に等しいと、第２Ｂ図に示すアライメン
トの場合、格子２２の山を通る光は格子２２を通
過する光に対して位相偏移を生じない。これによ
つて全部の光が直つすぐに格子を通過する（すな
わち、ゼロ次の出力回折光となる）。

この方法は接触マスクをウエーハに整列させる
のに利用することができる。しかし、マスクが投
影フオトリトグラフ法におけるようにウエーハか
ら無視できない距離はなれていると、格子２１に
よつて回折される光は格子２２によつて回折され
る前に広がつてしまうだけの時間を与えられる。
これを補償するために、本明細書に開示したアラ
イメント装置はマスク格子によつて回折された光
をウエーハ格子上に集束させる光学素子を含む。
マスク格子の像は事実上第２Ａ図と第２Ｂ図の接
触マスク格子ように働く。光学素子の倍率ｍは１
である必要はなく、ウエーハ格子の周期はマスク
格子の周期のｍ倍である。ウエーハ格子から反射
される光の強度と位相の関数変動は、マスクの透
過関数（光学系の倍率を考慮して適当に拡大また
は縮小する）とウエーハ格子の反射関数の積であ
る。光学素子はこの反射光をマスク格子に再結像
し、ここでマスク格子はこの光の振幅と位相をさ
らに変調して回折光の出力ビームを発生する。フ
オトリトグラフ法で利用される本発明の実施例に
おいては、露光装置の光学素子はマスク格子をウ
エーハ格子に結像するために利用されるが、露光
装置はまたウエーハ格子をマスク格子に結像する
のにも適している。光学素子を通過する、マスク
格子からの各回折次数はウエーハ格子によつてさ
らに回折されて各種の回折次数の出力光が発生す
る。ゼロ次の出力光がマスク格子とウエーハ格子
の相対位置の関数として極値を取るときアライメ
ントが達成されたと定義される。

光学素子は有限のアパーチユアを有するため、
両方の格子からの回折次数の一部はアパーチユア
を通過しない。1968年にマグローヒル社
（McGraw−Hill Inc.）より「フーリエ光学入
門」（Introduction to Fourier Optics）という
表題で出版されたグツドマン（J.W.Goodman）
の著書に指摘されているように、各種の回折次数
の各々は回折格子の透過関数または反射関数のフ
ーリエ展開級数の一項に対応する。有限のアパー
チユアはこのフーリエ級数の高次の周波数をろ波
する効果を有するので、これら高い周波数成分は
ウエーハ上へのマスク格子の像から除去される。
これはこの像の隅を丸くする効果を生ずる。この
結像された格子とウエーハ格子の反射関数の積は
光をマスクに再回折する実効回折格子である。こ
の実効格子がその像をマスク格子上に生ずる際に
アパーチユアは再びこの実効格子の高次の周波数
をろ波する。出力回折ビームを発生する実効格子
を生ずる際にこの像にはマスク格子透過関数が乗
ぜられる。

後述する実施例において、これら有限アパーチ
ユアの効果は、各種の回折パターンを計算する際
にフーリエ変換を使用することによつて説明す
る。しかしながら、有限アパーチユア効果を無視
することによつて、アライメント装置の定量的挙
動をより簡単に展開することができる。この近似
において、マスク格子に垂直な入射光の場合、出
力ビームを発生する実効出力格子はウエーハの反
射関数Ｒ（ｘ／ｍ）とマスク格子の透過関数Ｔ
（ｘ）の二乗の積である。なお、反射関数は光学
系の倍率による影響をなくすためにｍ倍してあ
る。あるいは、マスク格子自体ではなくマスク格
子の像によつて計算することによつて、得られる
結果は２つの格子の間の光学素子による倍率の影
響をなくす。ゼロ次の出力ビームはこの関数のゼ
ロ次のフーリエ成分に比例する振幅と位相を有す
る。すなわち、出力反射関数の一期間についての
平均である。ウエーハ格子とマスク格子の各々は
透過格子と反射格子のいずれかである。しかし、
フオトリトグラフ法では、格子像を生ずるよう露
光光学系を利用することが好都合である。本実施
例においては、マスク格子は透過格子であり、ウ
エーハ格子は反射格子である。

装置をレジスト層によつて引起される干渉によ
つて影響されないよう、位相格子をマスク内で使
用する。このように選択することによつてレジス
ト干渉をなくすことができる。なぜならば、レジ
スト層の上面は入射光の一部を反射し、そしてウ
エーハ格子からの回折から生ずる成分と干渉する
出力ビームの一成分を発生する。興味ある多くの
方法においては、レジスト層の上面は平坦である
のでその反射関数は単なる複数定数である。従つ
て、実効出力反射関数は、マスク格子の２倍のピ
ーク・ピーク位相偏移を有する方形波位相格子の
透過関数と同一であるマスク透過関数の二乗に比
例する。位相格子のゼロ次フーリエ成分は同一幅
の山、谷およびπのピーク・ピーク位相差偏移で
はゼロであるので、レジスト干渉はπ／２のピー
ク・ピーク位相偏移を有するウエーハ格子では消
去される。

有限アパーチヤ効果を考慮すると、このピー
ク・ピーク値は多少調整される。

マスク格子の作製を容易にするため、マスク格
子としてホログラフイツク格子を利用することが
有益である。それは、この格子はマスクの形成に
おいて新たな工程を加えることなく作ることがで
きるからである。ｘ方向とｙ方向の双方でアライ
メントを達成するため、１対の１次元マスクとウ
エーハ格子をｘアライメントに使用することがで
き、もう１対の１次元マスクとウエーハ格子をｙ
アライメントに使用することができる。あるい
は、ｘ方向とｙ方向の双方でアライメントを達成
するため、２次元格子をマスクとウエーハの各々
で使用することができる。後者の実施例は、１次
元格子が使用された場合に単色光の別々のビーム
が格子の各々に必要であると必要な別個のビー
ム・スプリツタと回転鏡を不要にする利点を有す
る。

ウエーハとマスクに垂直なＺ軸の周りでの回転
アライメントは、ウエーハとマスクの両方の上
に、好ましくは露光域の互いに反対側の境界に１
対の格子アライメント・マークを使用することに
よつて達成される。これらのマークのうちの第１
のマークをｘ方向とｙ方向で整列し、次に第２の
格子が最大限度整列するまでウエーハをこの第１
のマークの周りに回転する。このｘアライメン
ト、ｙアライメントおよび回転アライメントに加
えて、ゼロ次の回折のエネルギ量をマスクとウエ
ーハの間の間隔の関数として極値にすることによ
つて露光光学系の焦点を調整することができる。
このアライメント技術はグローバル・アライメン
ト装置とステツプ・アンド・リピート装置のいず
れにも使用することができる。ステツプ・アン
ド・リピート装置で使用した場合、マスク格子は
互いに隣接する回路パターンの間のスクライブ線
に置かれる。このような装置においては、ｘアラ
イメント、ｙアライメント、回転アライメントお
よび焦点合わせはマスク上の各位置で繰返すこと
ができる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明のアライメント装置を示す図
で、前述した第２Ａ，Ｂ図の原理を利用したもの
である。

第１図において、マスク３１とウエーハ３３は
格子３２と格子３４をそれぞれ含む。接触マスク
の場合のように格子３２と３４が接触しているか
それに近いのではなく、格子３２の像が格子３４
と接触している。マスク格子３４に入射するレー
ザ・ビーム３５は数本のビーム３６に分割され、
これらのビーム３６の一部は不透明障壁３８の入
射瞳３７を通過して投影レンズ３９によつてウエ
ーハ格子３４に再結像させられる。レーザを利用
するものは主としてそれが強力な光源であるとい
う理由によるが、レーザが平行な単色光を発生す
るという理由によつてレーザを使用することは有
益である。平行光線は、収束光や発散光の場合に
必要なホログラフイツク格子ではなく、平行な線
を有する平面格子を使用することができるので有
益である。単色光を使用することによつて、結果
として生ずる格子像に色収差が起こることは避け
られるが、多色光源もこのアライメント装置に利
用することができる。HeCdレーザは441.6nｍの
光を発生するので利用される。この波長はフオト
リトグラフ装置の光学素子が最大限活用される波
長に近い。以下に記載する格子の説明において
は、Ｚ軸がマスクの平面とウエーハの平面に垂直
であり、各格子の格子線がｙ軸に平行である座標
系を利用する。

ウエーハ格子３４は反射モードにおいて、これ
らのビームをレンズ３９に向けてさらに回折する
働きをする。レンズ３９と入射瞳３７を通つて回
折されたビームはさらにマスク格子３２によつて
回折され、そして１組の回折次数の光３１０が発
生する。ゼロ次の出力ビームエネルギはウエーハ
３３に対してマスクのｘ位置とｙ位置を揺動する
ことによつて変調される。ゼロ次の出力ビーム
は、アライメントを調整するために利用するアラ
イメント誤差信号を発生するために検出され使用
される。ｘアライメント、ｙアライメント、回転
アライメントおよびレーザ・ビームの焦点ぼけの
働きは後述する。

前述した文献「フーリエ光学入門」に記載され
ているように、平面透過モード回折格子からのフ
アーフイールド回折パターン（すなわち、回折格
子からの多波長でのパターン）はその透過関数の
フーリエ変換に比例する。透過関数Ｔ（ｘ）は複
素フエーザｔ（ｘ）^*exp（ip（ｘ））である。この式
でｔは格子によつて引起される振幅変動であり、
ｐは格子の点ｘで格子によつて引起される位相偏
移である。格子の周期的な性質によつて、Ｔ（ｘ）
のフーリエ変換は離散的であるので次式が成立す
る。

Ｔ(χ)＝_o=∞ 〓^n=-∞ t_o ^*exp(i2πnχ/L) (1) 上式でt_oは t_o＝（１／Ｌ）∫^L/2 _-L/2Ｔ（ｘ）^*exp（i2πnχ／
Ｌ）dχ (2) と定義される。上式において、Ｌは格子の周期で
ある。幅ｑの透明なスペースによつて互いに分離
された不透明な線を有し、χ＝０に中心がある透
明なスペースを有する周期Ｌの矩形波振幅格子の
場合、透過関数の振幅は第４Ａ図に示され、その
t_oは次のような値を有する。

t₀＝ｑ／Ｌ、０以外のｎに対して tn＝（１／πn）sin（πnq／Ｌ） (3) 第４Ｂ図に示されているようにピーク相互間の
位相偏移Ｓを発生する同一幅の山と谷を有する矩
形波位相格子の場合、t_oは次の値を有する。

t₀＝cos（Ｓ／２）ｎが奇数の場合は、 t_o＝（−iⁿ＊２／ｎ）sin（Ｓ／２）ｎが０以外の偶数の場合は、 t_o＝０ (4) ｎ番目の回折次数の振幅と位相は、格子への入
射光の強度と、格子透過関数のｎ番目のフーリエ
級数係数t_oの振幅と位相の積に等しい。格子に対
する法線に対して角度a_iで格子に入射する波長Ｗ
の単色光の場合、ｎ次の回折ビームの方向は格子
に対する法線と角度a_oを成す。これについては以
下の等式が成立する。

sin（a_o）−sin（a_i）＝nW／Ｌ (5) 等式(1)−(4)によつて出力回折ビームの位相と振
幅を計算することが可能となる。マスク格子のフ
ーリエ係数をM_oで、ウエーハ格子のフーリエ係
数をW_oで表わす。マスク格子内の線の中心と隣
りの線の中心の間隔をＬで表わす。ウエーハ格子
の周期はmLであり、ｍはマスク格子をウエーハ
上に結像する際のレンズ３９の倍率である。マス
ク格子３２に入射する単位振幅レーザ・ビーム３
５の場合、マスク格子からのｎ次の回折ビームは
M_oに等しいフエーザによつて表わされる振幅と
位相を有する。アパーチユア３７を通るこれらの
回折ビームの各々はウエーハ格子３４上に集束さ
れ結像される。この格子３４はこれらビームの
各々の光を回折する。

前記アプライド・フイジツクス・レターズに記
載されているように、マスク格子からのｎ次の回
折ビームの回折から生ずるウエーハ格子からのｍ
次の回折ビームを（ｍ、ｎ）で表わすと、ｍ−ｎ
（ｋとして表わす）が同一である値のビーム（ｍ、
ｎ）の各々は同一方向を有する。ｋの値が同一で
あるビームのグループをｋ番目のグループと称す
る。このグループ内の光は、同グループ内の個々
の回折次数の各々の寄与分の和である。従つて、
ＭからＮまでの範囲内の回折次数だけが障壁３８
を通過するようにするアパーチユア３７の場合、
ｋ番目グループ内の光に対応するフエーザG_kは G_k＝_N 〓^r=M W_K-r ^*Mr (6) と表わされる。レンズ３９とアパーチユア３７を
通過するこれらのグループの各々はマスク格子上
に結像され、このマスク格子はさらに回折を行な
つて１組の出力回折ビームを生ずる。ｋ番目の出
力ビームOB_kに対応するフエーザは OB_k＝_N 〓^r=M M_K-r ^*Gr (7) ＝_N 〓^r=M _N 〓^S=M M_K-r ^*W_r-S ^*M_S (8) アパーチユア３７はＭ＝−Ｎであるようにビー
ムの中心に置かれる。以下の説明ではこのように
仮定する。

マスク格子を距離ｄだけχ方向（つまり、その
格子線に垂直に）並進させると、並進された格子
のｋ番目のフーリエ成分M_k(d)はM_k ^*exp（i2πnd／
Ｌ）である。マスク格子が距離ｄだけ並進したと
き生ずる、出力ビームに対応するフエーザOB_k(d)
は OB_k(d)＝_N 〓^r=-N _N 〓^S=-N M_K-r ^*W_r-S ^*M_S ^*exp（（ｋ−ｒ＋ｓ）2d／Ｌ） (9) と表わされる。第２Ａ図と第２Ｂ図の例の説明か
ら、マスク格子の山がウエーハ格子の山か谷の上
に直接整列しているときゼロ次の出力ビームの振
幅が極値を取る、ということがわかる。これはマ
スク格子とウエーハ格子の振幅、位相、両者の組
合せのどのような選択に対しても成り立つことは
等式(2)および(9)を使用して証明することができ
る。なお、マスク格子とウエーハ格子の各々は山
と谷の対称的な配置を有する。どんな対称的なマ
スク格子の場合でも、平面ｘ＝０が山の中心また
は谷の中心に置かれると、伝達関数はｘの偶関数
であるのでフーリエ展開の正弦波成分はゼロとな
らなければならない。このような対称的な格子と
座標系の選択の場合、等価的に M_r＝M_-r (10) が成立する。等価的な結果はまたウエーハ格子の
反射関数についても成立する。ウエーハに対して
マスクがｘ方向にわずかに変位ｄだけした場合に
この振幅がｄの偶数関数であると、ゼロ次の出力
ビームの振幅が極値を取る。仮変数ｒとｓをそれ
ぞれ−ｒ、−ｓと命名し直し、等式(10)を使用する
ことによつて、OB₀(d)＝OB₀（−ｄ）が成立する
ことが容易にわかる。これは各格子がｙ軸の周り
に対称的であることのみ依存するので、マスク格
子の像の山がウエーハ格子の山か谷のいずれかに
中心が置かれるときは常に、ゼロ次の出力ビーム
は極値を取る、ということになる。これはどんな
種類の対称的なマスク格子とウエーハ格子にも成
り立つ。また、光学系の倍率ｍが１でない場合で
さえ成立する。このような場合、ウエーハ格子の
周期はmLである。

マスクとウエーハの間でＺ方向の変位を変える
ことによつても格子次数に位相偏移が生ずる。第
５図に示すように、ウエーハを焦点面上で距離Ｄ
だけ移動すると、ウエーハに入射するｎ次の回折
ビームは2πD^*cos（b_o）／Ｗだけ位相偏移する。
なおb_oはウエーハへのｎ次のビームの入射角、Ｗ
はウエーハ・アライメントに利用される単色光の
波長である。同様に、マスク格子に入射するビー
ムもＤに比例する類似の位相偏移を行なう。マス
ク上へのｎ番目のビームの入射角をa_oと記すこと
にする。この入射角は等式(5)によつて決定され、
(5)式においてＬはマスク格子の周期である。角度
b_oはウエーハ格子の周期mLを使用して等式(5)と
同等の等式によつて決定される。なお、ｍはレン
ズ３９の倍率である。

ゼロ次のビームの位相偏移は全位相偏移として
取り扱うことができるので、ゼロ次ビームに対す
るビームの相対位相偏移だけが強度分布に影響を
与える。ウエーハへのｎ次のビームの場合、この
相対位相偏移は2πD（cosb_o−１）／Ｗであり、典
型的な光学装置で利用される近軸光線の場合これ
は近似的に（b_o）^2*πD／W^*Ｗである。ゼロ次の
出力ビームの強度の計算においては、１次ビーム
以外の相対位相偏移は無視することができる。

また、距離Ｄによつてマスク格子３２に向かつ
てウエーハ格子３４から再反射される光の各回折
次数の間に相対的な位相偏移が生ずる。この偏移
の量は第１図の点Ｐ，Ｑ，ＲおよびＳを参照する
ことによつて理解することができる。線RQSは
マスク格子３２からゼロ次の回折であり、線
RPSは１次の回折である。第５図の角度b₁は第１
図の角度PSQに対応する。反射された光の相対
的な位相偏移に対応する角度はP′R′Q′であり、
この角度はほぼ角度PRQ（b′₁として記す）に等し
い。b₁′＝b₁ ^*ｍであることは以下の説明から理解
することができる。倍率ｍは像距離QSを物体距
離QRで割つた値に等しいので、小角度近似では
t_aoｂは次のようにｂで近似する。

b₁′＝PQ／QR＝（PQ／QS）（QS／QR）＝b₁ ^*ｍ(11) 典型的な縮小系の場合、ｍは0.1程度であるの
で、b₁′による影響はb₁による影響に比較して無
視することができる。従つて、焦点面からのウエ
ーハ３４の変位Ｄによつて引起される反射光内の
相対位相偏位を無視することができる。従つて、
ウエーハとマスクの間の距離をＤだけ変えること
によつて実際に起こることは、ゼロ次の出力ビー
ムの強度に−cos（２（b₁）²D）に比例する項目が
加わることである。これは、焦点合わせのためマ
スクとウエーハの間の距離を適切に変位すると、
ゼロ次の出力ビームがこの変位に対して極値を取
ることになるということを意味する。従つて、こ
れは自動的に光を焦点合わせするために使用する
ことができる。

第６図に示されているように、レジスト層の上
面は入射光の一部を反射し、それがウエーハ格子
から反射される光の成分と干渉するため、出力ビ
ーム内に前記干渉した成分を生ずる。格子の上の
レジスト層の存在を考慮するため、ゼロ次の出力
ビームの強度の前記の式はレジスト層の上面から
反射される光の影響を含めるように修正しなけれ
ばならない。ある種の方法において、レジスト層
を塗布する前に平坦化層をウエーハの上に形成す
る。この平坦化層の目的は、レジスト層を平坦に
してマスクからレジスト層までの距離の場所によ
る変動を除去することである。このような変動が
あると、レジスト上のマスク像が局所的に焦点ぼ
けすることがある。そのような方法においては、
レジストの上面は平坦であり、従つて新たな回折
を生ずることなく光を反射する。しかし、その境
界での反射係数によつて総合振幅と位相係数Ｒが
生ずる。さらに、レジスト上面がウエーハ格子と
は異なるＺ位置にあるため、焦点ぼけについての
項ですでに説明したように回折次数の位相偏移
C_oがある。

この反射光の効果は、式(8)に指示されているゼ
ロ次の出力ビームOB_pに項 _N 〓^r=-N （M_-r ^*R^*（M_r ^*e^icｒ）） (12) を加えることである。式(10)を用いることによつて
この方程式は R^* _N 〓^r=-N （M_r）^2*e^icｒ（13）と書き直すことができる。ゼロ次出力ビームに対
するこの追加寄与分が０であるとレジスト干渉は
なくなる。一般的に、焦点ぼけによる位相偏移は
小さいので、第１次近似ではこれを無視すること
ができる。その近似においては、式(3)によつて矩
形波振幅格子の場合すべてのｒについてM_rが実
数であることが示されるので、式(12)によつて表わ
されるレジスト反射寄与はゼロにすることはでき
ない。しかし、矩形波位相格子の場合、式(12)を０
にすることができることが式(4)より示される。

アパーチユア３７がすべての回折次数を通過さ
せるとすると、前述したように、位相差のピー
ク・ピーク値がπ／２である位相格子については
レジスト寄与分はゼロであろう。１次の回折ビー
ムとゼロ次の回折ビームだけがアパーチユア３７
を通過する状況では、レジスト寄与分を除去する
には位相偏移のピーク・ピーク値は1.07/2であ
る。一般に、すべての回折ビームがアパーチユア
３７を通過するという近似においては、ウエーハ
格子の透過関数の二乗のゼロ次のフーリエ成分が
ゼロであると、ウエーハ上で位相格子とのレジス
トと関連する干渉はない。

マスクの作製を容易にするため、ホログラフイ
ツク位相格子をマスク格子として利用する。第７
Ａ図に示されているように、周期L₂＜L₁の振幅
格子を長さL₁／２の部分に分割し、互いに隣接
する部分をｘ方向に沿つて互いに反対の向きに
L₂／２より小さい距離ｅだけ移動することによ
つて周期L₁のホログラフイツク回折格子を作る。
互いに近接された２つの互いに隣接する部分の間
の境界はＵで表わし、互いに遠ざけられた２つの
互いに隣接する部分の間の境界はＶで表わす。各
部分は個別の格子として働く。すでに指摘したよ
うに、ある部分を並進すると、各部分からの各回
折次数に移動距離に数値または回折次数を乗じた
値に比例した位相偏移Ｓが生じる。第７Ｂ図は交
互の位相偏移パターンが矩形波位相格子によつて
作り出されたパターンと同一であることを示して
いる。これら回折次数のうちの一定の次数がフア
ーフイールド領域まで伝搬すると、パターンは位
相格子のパターンとほぼ同一となる。第３図のア
パーチユア３７がこれらの次数のうちの１つを除
いて全部を除去すると、ホログラフイツク格子は
位相格子と同等となる。L₁＝8^*L₂と選択すると、
アパーチユア３７が＋１または−１の次数だけを
通過することができるのに十分なだけ各種の次数
の角度間隔が置かれる。大部分のエネルギは＋１
と−１の回折次数方向にあるので、これら２つの
次数のうちの一方がアパーチユア３７を通過する
ように選択する。便宜上、これらの部分の１つか
らの１次回折ビームの１つが第３図に示されてい
るように反対ビームの所望の方向に放出されるよ
うに、単色光がゼロでない入射角a_iでウエーハに
入射するように選択する。これを実現するために
必要な角度a_iは式(4)で決定する。

第８Ａ図は、マスク上の振幅格子とウエーハ上
の各種ピーク・ピーク位相偏移をもつ位相格子の
場合のゼロ次出力ビームのエネルギの計算結果を
示す。第８Ｂ図はマスク上の位相格子とウエーハ
上の各種のピーク・ピーク位相偏移の位相格子に
ついての同様の結果を示す。マスク格子の像の山
または谷がウエーハ格子の山の上に重ねられたと
きは常に、双方が極値を示す。また第８Ｂ図に示
されているように、２つの山は対称的ではなく、
しかもピーク・ピーク位相偏移がゼロの場合のエ
ネルギの量がゼロではない。この非対称性はレジ
スト干渉の影響を補償する代替法として利用する
ことができる。

レジスト干渉の影響によつて作り出される主要
な問題は、ゼロ次出力ビームの強度がレジストの
厚さがある値の場合に極めて小さくなることがあ
るということである。このような厚さは時々生ず
るので、この方法を全てのウエーハに適用するた
めには、前記干渉効果を補償しなければならな
い。第８Ｂ図の２つの山は同一でないので、レジ
スト干渉効果によつてこの２つの山のうちの一方
がほぼ０になると、他方の山はアライメントに使
用するのに適する。この非対称性を利用する装置
は第９図に示されている。

すでに指摘したように、ホログラフイツク回折
格子の位相偏移はホログラフイツク回折格子の各
部分からの回折次数の数値に比例する。従つて、
−１次数は＋１次数の位相偏移パターンとは反対
の位相偏移パターンを有する。従つて、＋１次数
のｘ＝０での山は−１次数のｘ＝L₁／２での山
に対応する。この非対称性を利用するため、ビー
ム９２の−１回折次数９５が格子９４に垂直であ
り、ビーム９３の＋１次数が回折次数９５に平行
であるような入射角で単色光源９１が１対の入射
ビーム９２と９３をホログラフイツク格子９４に
供給する。光源９１は非対称性を利用する様々な
方法で制御することができる。一実施例において
は、通常はビーム９２と９３のうちの一方だけが
光源９１によつて供給されるが、ゼロ次の出力ビ
ームのエネルギがあるしきい値以下になると他方
のビームが供給される。別の実施例においては、
検出器がビーム９２と９３の双方からエネルギを
受取るようにチヨツパで両ビームが断続される。
両ビームは同時に供給すべきではない、さもない
と望ましくない干渉が起こる。

これまで説明して来た１次元格子は一方向につ
いてのみアライメントの狂いを測定することがで
きる。xyアライメント補正を行なうためには、
２つの別個の互いに直角方向を向いた格子と２つ
のレーザ・ビームが必要である。しかしながら、
２次元回折格子を利用することによつて１本のレ
ーザ・ビームでｘ方向とｙ方向のアライメントの
狂いを測定することが可能である。ウエーハ格子
を第１０Ａ図に、マスク位相格子を第１０Ｂ図に
示す。マスク格子は、前述の有限アパーチユア効
果による補正は別にして、レジスト干渉がなくな
るという望ましい特性を有する。１次元の場合の
ように、マスク格子の透過関数の二乗は２次元パ
ターンの任意のセルについての平均が０でなけれ
ばならない。また、１次元の場合のように、有限
アパーチユアろ波効果が含められたときレジスト
の干渉による影響を排除するようにピーク・ピー
ク位相差を調整することができる。一般に、第１
０Ｂ図の位相格子の場合のように２つの異なる深
さのエツチを有する位相格子を精密にエツチング
で作ることは困難である。しかし、そのような３
位相位相格子はホログラフイツク格子として簡単
に作ることができる。

有限アパーチユアの影響を考慮するため、ｘ方
向のｍ番目の回折次数とｙ方向のｎ番目の回折次
数に対応する２次元透過係数t_noと反射係数r_noを
それぞれマスク格子とウエーハ格子について決定
しなければならない。上記の１次元方程式は、ア
パーチユア３７を通る回折次数のすべての２次元
合計に簡単に一般化される。透過関数ｔ（ｘ、ｙ）
と反射関数ｒ（ｘ、ｙ）がｘの関数とｙの関数の
積（つまり、ｔ（ｘ、ｙ）＝ｆ（ｘ）ｇ（ｙ））であ
る２次元格子は特に分析が容易である。そのよう
な格子の場合、t_nは積f_n ^*gnとなる。なお、f_nと
gnはそれぞれｆ（ｘ）とｇ(g)のフーリエ級数のフ
ーリエ係数である。第１０Ｂ図の格子はそのよう
な格子の例である。

再び第１図において、出力回折ビーム３１０の
光路は回転鏡３１１によつて曲げられてスクレー
パ・ミラ３１２に偏向させる。ミラ３１２はアパ
ーチユア３１４を含む不透明な障壁３１３にこれ
らの光路を偏向する。レーザ・ビーム３５と出力
ビーム３１０はわずかに横方向に移動させられる
ので、出力ビーム３１０はスクレーパ・ミラによ
つて偏向されるが、レーザ・ビーム３５はレーザ
光源３１６から発出してスクレーパ・ミラ３１２
の端を通る。レーザ・ビームは回転鏡３１１によ
つてウエーハ格子３２に照射される。

障壁３１３は、アパーチユア３１４を通るゼロ
次出力回折ビーム３１５以外の出力ビームのすべ
てをしや断する働きをする。ビーム３１５は帯域
フイルタ３２４を通つて光電子増倍管３１７に達
する。この帯域フイルタはビーム３５のレーザ光
の周波数近くの光だけを通すので、バツクグラン
ド光とウエーハ上のフオトレジストを露光するた
めに使用する周波数の光を除去する。これによつ
て、露光用の光が光電子増倍管３１７に漏れるこ
とによつて起こるアライメントの劣化なしに、ウ
エーハ上の１カ所の各露光の間、連続アライメン
トを維持することが可能となる。光電子増倍管３
１７を飽和することを避けるためにレーザ３１６
の出力を3μW程度に減衰する。平均出力信号の
一定振幅を維持するため、光電子増倍管３１７の
増幅度を自動利得制御回路によつて一定にする。
利得の自動制御によつて、回路はウエーハ内の吸
収層による減衰に対して鈍感になる。

光電子増倍管３１７の出力信号に応答し、位相
検波器３１８はｘ位置アライメント誤差信号を発
生する。マスク３１が取付けられているレチクル
台３２０にたわみピボツト軸受によつて接続され
た圧電モータのようなモータ３１９はこのエラー
信号に応答し、レチクル台３２０のｘ位置をウエ
ーハに対して調整し、それによつてマスクとウエ
ーハの間のアライメントを達成する。マスクとウ
エーハの間の相対運動だけが重要であることは明
白であるので、マスクの位置ではなくモータの位
置を調整するためにモータをウエーハに結合する
こともできる。ｘ方向のアライメントを可能にす
るため、第１１図に示されているように３つの圧
電モータがレチクル台３２０に接続されている。
１つのモータはレチクル台３２０の第１の側のほ
ぼ中心（点Ａ）に取付けられ、そしてｘ並進のた
めに使用される。１対のモータの各々は第１の側
に隣接する第２の側の互いに反対側（点ＢとＣ）
に接続されている。同じように駆動されると、こ
の１対のモータはｙ並進を生じ、そしてアンバラ
ンスに駆動されると、Ｚ軸の周りの回転を追加す
る。

アライメント・エラの方向と強度を感知するた
め、位相検波法を利用する。この方法を実行する
ため、基準発振器３２１のような周期信号源がモ
ータ３１９に正弦波信号を供給してマスクのｘ位
置を揺動し、それによつて光電子増倍管３１７の
出力信号に周期成分を発生する。この揺動のピー
ク相互間の振幅は約1μｍである。位相検波器３
１８は基準発振器の30サイクルの間、光電子増倍
管３１７の出力信号と発振器３２１の信号の積を
積分し、発振器３２１の周波数で光電子増倍管３
１７のフーリエ成分を測定する。位相検波器３１
８は加算器３２２にこのフーリエ成分に比例する
直流信号を加える。正確なアライメントでは、発
振器３２１の周波数でのｘ位置誤差信号のフーリ
エ成分は０となる。誤差信号の強度は、アライメ
ントの狂いの符号を含むアライメントの狂いの量
に比例する。レチクル台３２０のｘ位置はｘ並進
を制御する圧電モータの入力に加わる電圧によつ
て決定される。増幅器３２３は、誤差信号が０と
なつたときレチクル台３２０の並進が停止するよ
うに誤差信号を積分する積分器を含む。

マスクのｘ位置と調整とマスクのｘ位置の揺動
運動を同時に行わせるため、誤差信号と発振器３
２１の正弦波信号は加算器３２２で加算され、次
に増幅器３２３で増幅されてからモータ３１９に
供給される。アライメント装置は200ｍsec.の間
動作して装置の微細アライメントを行なう。次
に、参照信号の加算器３２２への供給が断たれ、
そして圧電モータ３１９の入力に加わる直流電圧
はサンプルホールド回路（図示せず）に保持され
る。これによつてレチクル台３２０が整列位置に
保持され、ウエーハの露光の間レチクル台３２０
の揺動運動は行われない。

ｙ方向での周波数とは異なる周波数でｘ方向に
レチクル台３２０を揺動することによつてｘアラ
イメントとｙアライメントを同時に行なうことが
できる。本実施例では、これら２つのの周波数は
150Hzと170Hzである。ｘアライメントの誤差信号
は光電子増倍管３１７からの信号の150Hz成分に
比例し、ｙアライメントの誤差信号は170Hz成分
に比例する。ウエーハよりもマスクを揺動させる
ことが有益である。それは、マスクの方が高い周
波数で揺動することができ、アライメントのため
の期間を短かくすることができるからである。

このアライメント装置を利用する前に、ウエー
ハとマスクを周知の技術によつて、ウエーハ格子
の±４分の１周期以内に整列させる。アライメン
ト装置は最も近い極値で整列し、従つて±４分の
１周期はアライメント装置の捕獲範囲である。ウ
エーハ格子の周期は8μｍであるので捕獲範囲は
±2μｍである。

このアライメント装置はグローバル・アライメ
ント装置で微細アライメントを行なうために利用
することができると共に、各位置ごとのアライメ
ントのためにも利用することができる。後者の場
合、アライメント格子は互いに隣接するダイの間
でスクライブ線に設けられているので格子は各ダ
イの露光には干渉しない。次のダイを露光光学系
のフイールド内に持ち込むためにウエーハをレチ
クル台３２０に対して並進し終わると、信号がス
テツパによつて発生されてダイを露光する。この
信号はそのダイ位置での微細アライメントを行な
うために利用される。またこの信号は微細アライ
メントを完了するのに十分な400ｍsec.だけ遅延
されてからこのダイを露光するのに利用される。

一般に、格子はウエーハ上に形成されパターン
を有している層の少なくとも２つに形成しなけれ
ばならない。第１の格子は酸化物層に作る。イン
プランテーション工程や薄膜を形成する工程にお
いては、先のマスク工程に利用されるウエーハの
機能によつてはあまり影響を受けない。従つて、
その格子は次の工程でも利用することができる。
しかし、厚い層を形成すると、マスク・パターン
の複製によつて先の層の格子に重なる格子がその
厚い層に形成される。従つて、両方の重なつてい
る格子からの回折が乱される。これが起こると、
罫書線の別の位置の別のマスク格子がマスクに含
まれるはずであるので、厚い層のパターニングの
後にこの厚い層に完全に機能的な格子が生ずる。

〔発明の効果〕

本発明のアライメント装置によれば、第１回折
格子、第２回折格子を有する物体を極めて精度良
く位置合わせすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアライメント装置を示す図。
第２Ａ図、第２Ｂ図は本発明のアライメント装置
の原理を示す図。第３図は従来のアライメント装
置の概略図。第４Ａ図、第４Ｂ図は本発明に使用
する回折格子の伝送特性の中の振幅および位相特
性を示す図。第５図は、本発明に使用する露光光
学系の焦点ぼけが各回折次数間に生ずる干渉の説
明図。第６図は、本発明に使用するレジスト格子
とウエーハ格子からの反射の説明図。第７Ａ図、
第７Ｂ図は本発明に使用するホログラフイツク格
子によつて生じるパターンを示す図。第８Ａ図、
第８Ｂ図は、マスク格子およびウエーハ格子のず
れとゼロ次出力ビームとの関係を示す図。第９図
は、本発明に使用するレジスト干渉除去方法を示
す図。第１０Ａ図、第１０Ｂ図は、本発明に使用
する２次元ウエーハ格子と２次元マスク位相格子
を示す図。第１１図は、レチクル台の立面図。３１：マスク、３２：回折格子、３３：ウエー
ハ、３４：回折格子、３９：投影レンズ、３１
１，３１２：ミラ、３１６：レーザ、３２４：バ
ンドパスフイルタ、３１７：光電子増倍管、３１
８：位相検波器、３２１：基準発振器、３２３：
増幅器、３１９：モータ。

Claims

【特許請求の範囲】１次の(イ)〜(ニ)を含む第１物体と第２物体の整列
をおこなうアライメント装置。 (イ) 前記第１物体上の反射格子。 (ロ) 入力光を受けて前記反射格子へ出力光を回折
するとともに、前記反射格子の前記出力光の反
射回折光を受けて、前記入力光のゼロ次の回折
光を出力するための前記第２物体上の位相格
子。 (ハ) 前記反射格子と前記位相格子との間に介在し
て、前記出力光を前記反射格子のうえに収束す
るとともに前記反射回折光を前記位相格子のう
えに収束するようにするための投影レンズ。 (ニ) 前記ゼロ次の回折光の強度が極値をとるよう
に、前記反射格子と前記位相格子との距離を実
質的に変えない方向で、前記第１物体と前記第
２物体との相対位置を可変する手段。