JPH038319A - 露光装置の位置合わせ装置及び方法 - 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】 本発明は露光装置用の位置合わせ装置に関し、特に高密
度集積回路の転写マスクパターンを半導体基板（ウェハ
）上に露光する装置においてマスクパターンの光学像等
に対し回転偏位なしにマスクとウェハとの相対位置合わ
せを行なうための装置に関する。

大規模集積回路（ＬＳＩ）パターンの微細化は年々進行
しているが、微細化に対する要求を満たし、且つ生産性
の高い回路パターン焼付は装置として縮小投影型露光装
置が普及してきている。従来より用いられてきたこれら
の装置においては、シリコンウェハに焼付けされるべぎ
パターンの何倍か（例えば５倍）のレチクルパターンが
投影レンズによって縮小投影され、１回の露光で焼付け
されるのはウェハ上で対角長２１ｍｍの正方形よりも小
さい程度の領域である。従って直径１２５１位のウェハ
全面にパターンを焼付けるには、ウェハをステージに載
せて一定距離移動させては露光を繰返す、いわゆるステ
ップアンドリピート方式を採用している。

ＬＳＩの製造においては、数層以上のパターンがウェハ
上に順次形成されていくが、異なる層間のパターンの重
ね合わせ誤差（位置ずれ）を一定値以下にしておかなけ
れば、層間の導電または絶縁状態が意図するものでなく
なり、ＬＳＩの機能を果すことができなくなる０例えば
１μ騰の最小線幅の回路に対しては、せいぜい０．２μ
国程度の位置ずれしか許されない。このような焼付は時
の位置ずれは、大別して回転偏位と平行偏位とに分けら
れる。第１図は前記回転偏位が生じた状態を詩張して示
す説明図で、実線の長方形パターン領域Ｐ、は既にウェ
ハ上に形成されている回路パターン領域であり、この領
域Ｐ１に対して微少量だけ回転した状態で破線で示す長
方形パターン領域Ｐ２が重ね合わせて露光焼付けされる
。この場合、領域Ｐ、の対角線の中心０はＰ２の対角線
の中心と完全に一致しているものとすると、中心Ｏ以外
の個所では領域Ｐ、に対して領域Ｐ２に回転偏位（回転
方向の保持誤差）が生じることになる。

従来の縮小投影型露光装置においては、ステップアンド
リピート動作を行なうに際して、ウニ八ホルダを介して
ウェハを載置するステージを、その移動平面をなす直交
座標の原点を基準にして移動しては位置決めし、一方マ
スクとして回路パターンの描かれたレチクルについては
、ウェハ上でのこのレチクルの投影像が前記直交座標に
対して回転偏位をできるだけ持たなくなるような位置決
めをして保持しておき、このような状態で、前記直交座
標系の座標位置を与えてステージを心動し、所定位置に
位置決めして露光するという一連のステップアンドリピ
ート方式の露光焼付けを行なうようにしていた。ところ
でレチクルの位置決めの際に用いる位置検出器（例えば
レチクルアライメント顕微鏡）の検出中心がずれている
場合、位置検出器を基準に位置決めされたレチクルは、
ステージの直交座標系に対して位置決め誤差を持つので
、ウェハ上に焼付けられるパターン領域は一般に回転偏
差を生じることになる。従来、この回転偏位の補正は、
実際にレチクルパターンを繰返してウェハに焼付け、焼
付けられたウェハ上のパターンを光学顕微鏡等で観測し
、隣り合って焼付けられたパターン相互間の偏位量を測
定し、その測定値から位置検出器の検出中心のずれを逆
に求めて補正を行なっていた。

しかしながらこのような方法ではウェハ上にパターンを
焼付け、それを現像してから回転偏位の量を観察して求
めるので多大の手間と時間を費し、そのうえ補正の精度
も高くはなく、回転偏位を要因とする回路パターンの位
置ずれをＯ１１μｍ位置に押え込むことは極めて困難で
あった。

本発明は前述の諸問題点を解決して、マスクと被露光体
との回転偏位を短時間で高精度に検出して、マスクパタ
ーン毎の露光作業を高い重ね合わせ精度で高能率に行な
えるようにした露光装置用位置合わせ装置を得ることを
目的とするものである。

すなわち本発明の露光装置用の位置合わせ装置では、マ
スクのパターンをステップアンドリピート方式でクエへ
等の被露光体に順次露光するために前記被露光体を載せ
てその移動平面をなす直交座標系の両座標軸方向に２次
元移動可能なステージを備えている。

さらに本発明では、マスクを装置本体に装着したときに
残存する回転方向の誤差量を検知する手段、例えば上記
ステージ上に設けられて、マスクのパターンの像の一部
分（マーク等）を光電検出する光電検出器８．９と、ス
テージの直交座標（移動座標）系における位置を計測す
る干渉計等のステージ位置検出器１３．３４とを設ける
。そして、マスクの回転方向の誤差量に基づいて前記ス
テージの位置補正を行なう手段、例えばステージ制御計
３０．３４．３５を設けるようにした。

これによって前記検知手段によって検出された前記マス
クパターンの前記直交座標系の座標軸に対する回転偏位
ｉｔ（回転方向の保持誤差）が算出される。本発明の好
適な応用例では、前記直交座標系に対しこの回転偏位量
を相殺するように座標軸を回転した別の直交座標系が定
められ、この別の直交座標系の座標軸方向にステージを
ステップ移動させて位置決めが行なわれるようになされ
ている。

本発明によればステージの移動座標軸に対するマスクパ
ターンの回転偏位自体を十分小さく押え込む代りに、こ
の回転偏位が存在してもそれが焼付パターンに実直的に
影響しなくなるようにステージのステップ移動を位置制
御可能である。

本発明を実施例図面と共に詳述すれば以下の通りである
。

第２図は本発明の位置合わせ装置の適用対象例としての
縮小投影型露光装置の概略を示す構成図で、露光用照明
光源１からの照明光は第１コンデンサレンズ２によって
一度収束されたのち、第２コンデンサレンズ３に達する
。その光路中、光が収束される位置には照明光の通過を
所望時に遮断するためのシャッタ４ａが設けられている
。第２コンデンサレンズ３を通つた光束は、マスクとし
てのテスト・レチクル（以下単にレチクルと云う）５を
照明する。このレチクル５を透過した光束は結像光学系
としての投影レンズ６に入射する。この投影レンズ６は
、そのレチクル５側すなわち物体側が非テレセントリッ
クで、像側がテレセントリックな光学系である。投影レ
ンズ６の直下のステージ７は、普段は半導体ウェハ１ｏ
を載せてそのＢ助平面をなす第１直交座標系ＸＹ方向に
２次元移動するものであり、前記ウェハ１０は、ステー
ジ７と一体に２次元移動するウェハホルダ！！上に載置
される。ウェハホルダ１１はステージ７に対して微少回
転と上下動とができるように設けられている。このウェ
ハホルダ１１は、投影レンズ６によるレチクル５の回路
パターン（図示せず）の投影像がウェハｌＯの表面に結
像するように、すなわち焦点合わせができるように上下
動する。

さてレチクル５の下面には、前記回路パターンの他に、
光透過性のマークＲＲ，ＲＬが左右両端の所定位置（局
所部分）に描かれている。レチクル５のマークＲＲを透
過した光束１１に着目すると、光束１１は投影レンズ６
によって集束されてその像側から光束１２どなって射出
され、ステージ７に設けられた微小開口部材８上にマー
クＲＲの像を結像する。この微小開口部材８には、それ
を通過した光を受光して電気信号を出力する光電変換手
段としての光電検出器９が組合されており、また微小開
口部材８の開口面はステージ７上のウェハｌＯの表面の
高さとほぼ一致するように定められ、従って微小開口部
材８と充電検出器９は前述のようにウェハホルダ１１の
上下動に伴って一体に上下動するようになされている。

このような焦点合わせのために、投影レンズ６とウェハ
１０の表面（または微小間口部材８０開ロ面）との間隔
を計測するギャップセンサ１２が設けられている。この
ギャップセンサ１２とウェハホルダ１１の上下動機構と
によって自動焦点調整が可能であり、ウェハ１０上にレ
チクル５の回路パターンを焼付ける際、ウェハ１０の表
面高さを検出して、常にコントラストの高い投影像が転
写できるようになっている。

一方、ステージ７の第１直交座標系ＸＹでの位置は、レ
ーザ干渉計によってステージ７に固定された反射鏡まで
の距離をレーザ光を用いて測定することにより求められ
るようになされており、第２図ではＸ軸方向（紙面で左
右方向）のレーザ干渉計１３と反射鏡１４のみが示され
ているが、ステージ７の移動平面を成すＸ軸と直交する
Ｙ軸方向（紙面の表裏方向）に関しても同様にレーザ干
渉計と反射鏡との別の組合せが設けられていることは述
べるまでもない。これらのレーザ干渉計によって、装置
に予じめ設定される第１直交座標系ＸＹの原点に対する
ステージ７の位置座標値がそのステップＢ動中に逐次計
測されるものであり、この第１直交座標系ＸＹの原点は
、この実施例では投影レンズ６の光軸上にあり、従って
前記Ｘ軸およびＹ軸方向の両レーザ干渉計は、それらの
各レーザ光束が成す２つの測定軸の交点が投影レンズ６
の光軸上に位置するように配置されている。

またレチクルホルダ１５は、レチクル５を保持して第１
直交座標系のＸＹ平面と平行な平面内の第２の直交座標
系ｘｙにて２次元移動可能であり、後述するレチクルア
ライメント制御系による駆動制御でレチクル５の位置決
めを行なうものである。

さらに第２コンデンサレンズ３の入射側の両脇に配置さ
れているシャッタ４ｂおよび４ｃは、照明光源１からレ
チクル５までの照明光路中でレチクル５のマークＲＲと
ＲＬへの入射光だけを所望時に遮光するためのものであ
り、その配置位置は図示の位置に限定されるものではな
い。

レチクル５には前述のように光透過性のマークＲＲとＲ
Ｌが設けられているが、このマークＲＲとＲＬは、具体
的には第３図に示したようにレチクル５の回路パターン
領域５ａの周辺の遮光部分に例えばＸ軸方向に向けて設
けられた透光スリットである。このマークＲＲとＲＬは
、第３図の例ではレチクル５の中心を原点とする第２直
交座標系ｘｙのＸ軸上で互いに離れた２個所に設けられ
ているが、ｙ＠上にも同様な透光性マークを設けてもよ
い。

尚、レチクル５のパターンの投影レンズ６による投影像
はｘｙ座標に関して反転像となるので、第３図ではレチ
クル５の座標系ｘｙとステージ７の座標系ＸＹの方向を
逆にして示しである。

従って、レチクル５をレチクルホルダ１５に載置して固
定したときに、これらＸ軸と、投影レンズ６の光軸と、
Ｘ軸との３軸を含む平面が規定できて、しかもｙ軸と、
投影レンズ６の光軸を、Ｙ軸との３軸を含む別の平面が
規定できれば、ステージ７に対するレチクル５の回転偏
位は零となることになる。

さてステージ７には、前述のようにレチクル５のマーク
ＲＲとＲＬの投影像を検出する微小開口部材８が設けら
れている。この微小開口部材８は、第４図（ａ）に示す
ように、円形状のガラス板全面にクロム層などを蒸着し
、そのクロム層の一部にスリット開口８ａを形成したも
のである。、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＡ−Ａ線矢
視断面図であり、スリット開口８ａの長手方向はステー
ジ７の第１直交座標系ＸＹのＸ軸方向と一致するように
定められ、またスリット間口８ａのＹ軸方向の幅寸法は
、投影光学系の縮小率等を考慮に入れてマークＲＲ又は
ＲＬが部材８の開口面上に結像されたときの該マークの
投影像のＹ軸方向の幅寸法と略等しくなるように定めら
れている。

前記第１直交座標系ＸＹの原点が投影レンズ６の光軸上
にあることは前述した通りである０本実施例に招けるレ
ーザ干渉計によるステージ７の位置座標の測定は、通常
知られている方式と変りなくＸ軸方向とＹ軸方向の各レ
ーザ干渉計内のデジタルカウンタによってデジタル測定
方式で行なわれる。このカウンタは、ステージ７の移動
に従ってその計数値を増減させるものであり、装置の電
源没入時などには、ステージ７の原点位置を定めてその
原点位置でこのカウンタを；にリセット或いは成る定め
られた一定値にプリセットする必要があるが、このステ
ージ７の原点位置への定位を前述スリット開口８ａを利
用して行なうことができる。すなわちこの場合、光電検
出器９の出力によってスリット間口８ａとマークＲＲ（
又はＲＬ）の像とが一致したことを検知し、このときに
Ｙ軸方向のレーザ干渉計内のカウンタ（Ｙカウンタ）を
零にリセットする。正確にはレチクル５の回転偏位を考
慮に入れて、マークＲＲの像とマークＲＬの像とがそれ
ぞれスリット開口８ａと一致したときのＹカウンタの計
数値Ｙ「とＹｌとから、Ｙカウンタが（Ｙｒ◆ＹｊＺ）
／２となるようにステージ７をＹ軸方向に位置決めした
ところでＹカウンタを零にリセットし、Ｙ軸の原点位置
決めを行なう。Ｘ軸方向についても同様で、図示しない
がレチクル５のＸ軸上に同様の透光マークを対設けてお
ぎ、また微小開口部材８にスリット８ａと直交する方向
に延在した別のスリット開口を設けておいて、同様の手
順でＸ軸方向のレーザ干渉計内のカウンタ（Ｘカウンタ
）の零リセットを行なえばよい。このようにして座標系
ＸＹの原点設定が果され、以後ステージ７はこの原点を
基準とする第１直交座標系ＸＹの位置座標をもって２次
元移動中にわたり逐次位置測定されることになる。

尚、カウンタの零リセットは、ステージ７が所定の位置
にぎたときにリミットスイッチ等で行なってもよい。

さて、この実施例の装置にはさらに、ウェハ１０上のマ
ークを検出して位置合わせに用いるアライメント顕微鏡
（Ｗ　Ａ　Ｍ　：　Ｗａｆｅｒ＾Ｉｉｇｎａ＋ｅｎｔ旧
ｃｒｏｓｃｏｐｅ）が本発明の第２の手段として備えら
れており、その配置は第３図に示した通りである。すな
わち、この顕微鏡はウェハ１ｏ上に後述の如く形成され
たアライメント用の特定の形状のウェハマークを光電検
出するもので、第３図に示すように投影レンズ６の鏡筒
の周囲にＷＬ、ＷＸおよびＷＲの３木をオフ・アクシス
（ｏｆｆ　ａｘｉｓ）で固定配置しである。第１のアラ
イメント顕微鏡ＷＬは、ウェハ１０のＹ軸方向の位置を
検出するためのもので、その検出中心（観察中心）が基
準状態でＹＬ１ｉｌｊｌ上に位置するように配置されて
いる。

第２のアライメント顕微鏡Ｗｘは、ウェハ１０のＸ軸方
向の位置を検出するもので、その検出中心（観察中心）
が基準状態でＸ＠！１上に位置するように配置されてい
る。このように両アライメント顕微鏡ＷＬとＷＸの検出
中心をそれぞれＹ＠上とＸ軸上とに一致させるのは、ウ
ェハ１０の位置検出に際してアツベ誤差を無くすためで
ある。第３のアライメント顕微１１ＷＲは、第１のアラ
イメント顕微鏡ＷＬと対になってウェハ１０の回転ずれ
を検出するもので、基準状態においてその検出中心（観
察中心）と第２のアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心と
を結ぶ線分がＸ軸と平行になるように配置されている。

これら３木のアライメント顕微鏡は、第１層目のパター
ン焼付けで第２層目以降の重ね合わせ露光のアライメン
トのために、ウェハ上の回路パターンの内部または近傍
ストリートライン上に転写形成された特定の形状、例え
ば短かい線状のウェハマークを、振動スリットまたはレ
ーザ光振動ビームで走査して検出する光電顕微鏡であり
、その検出中心は例えば振動スリットや振動ビームの振
動中心と一致するように定められ、特に第３のアライメ
ント顕微鏡ＷＲの光学系には、検出中心をＹ軸方向に　
　変位させるために、回転可能な平行平板ガラス等が設
けられている。

第２図および第３図に示した装置を制御するための制御
系の主要構成は第５図のブロック図に示されている。装
置全体は、プログラムによる制御および各種演算処理が
可能なように、メモリ等を含むマイクロコンピュータ（
ｃＰυ）３ｏによって統括制御される。ＣＰυ３ｏは、
インターフェース（Ｉ　Ｆ）　３１を介して周辺の検出
部、測定部あるいは駆動部と、各種情報のやり取りを行
なう、シャッタ駆動部３２は、ＣＰＵ３０の指令によっ
て各シャッタ４ａ、４ｂ、４ｃの開閉動作を行ない、ま
たレチクルアライメント制御系（Ｒ−ＡＬＧ）３３は投
影レンズ６の光軸に対してレチクル５が所定の位置にく
るようにレチクルホルダ１５を動かして位置合わせする
ものである。

方、ステージ７の位置座標を計測するために、前述のＸ
軸用のレーザ干渉計１３によって読取られたステージ７
のＸ軸方向の位置情報と、Ｙ軸用のレーザ干渉計３４に
よって読取られたステージ７のＹ軸方向の位置情報とが
共にインターフェース３１を介してＣＰＵ３０に送られ
る。またステージ７を２次元移動させるために、ステー
ジ７をＸ軸方向に駆動するＸ軸駆動部（Ｘ−ＡＣＴ）３
５と、ステージ７をＹ軸方向に駆動するＹ軸駆動部（Ｙ
−ＡＣＴ）３６とが、ＣＰＵ３０の指令によって動作す
るように設けられており、さらにステージ７上のウェハ
ホルダ１１を微小回転させるためのθ軸回転駆動部（θ
−ＡＣＴ）３７と、ウェハルダ１１および微小開口部材
８と光電検出器９の組合せを一体的に上下動させるため
の２＠駆動部（Ｚ−ＡＣＴ）３８とが設けられ、ＣＰＵ
３０の指令によって動作するようになされている。前記
光電検出器９の光電出力信号もインターフェース３１を
介してＣＰＵ３０に人力され、また焦点検出部（ＡＦＤ
）３９は、第２図に示したギャップセンサ１２からの信
号を受は取ってウェハ１０の表面（又は微小開口部材８
の開口面）と投影レンズ６の焦点位置のずれ情報（合焦
情報）をインターフェース３１を介してＣＰＵ３０に与
えるようになっている。尚、ＣＰＵ３０には、インター
フェース３１を介して、測定した結果や動作状態等を表
示するためにモニタ用のＣＲＴデイスプレィあるいはプ
リンタなどの出力端末装置４０も接続されている。

また第３図に示したように、オフ・アクシス配置のアラ
イメント顕微鏡ＷＬ、ＷＸ、ＷＲは、光電顕微鏡または
レーザースポット走査型のウェハマーク検出手段（本発
明の第２の手段）であり、これらはそれぞれの検出中心
がウェハ１０上の所定のウェハマークと一致すると、マ
ーク検出信号をインターフェース３１を介してＣＰＵ３
０に与える。尚、これらアライメント顕微鏡ＷＬ。

ＷＸ、ＷＲによるウェハマークの検出に際してもギャッ
プセンサ１２と焦点検出部３９とによる合焦情報がＣＰ
ｔＪ３０に入力れさることは述べるまでもない。

アライメント顕微鏡ＷＲには、振動スリットまたは振動
ビームの振動中心や、レーザ光の送先々路を、第１の直
交座標系ＸＹ上のＹ軸方向に微小量シフトさせるために
、平行平板ガラスやプリズムがＣＰＵ３０の指令による
制御で所望量だけ回転ないし移動可能に設けらている。

以上のような構成においてレチクル５がレチクルホルダ
１５に載置され、レチクルアライメント制御系３３でチ
レクル５のアライメントを行なフたのち、レチクル５の
パターンをウェハ１０上に投影するとその光学像は第６
図のようになる。

第６図はレーザ干渉計１３と３４とで計測されるステー
ジ７の第１直交座［ＸＹに対するレチクル５のパターン
領域５ａの投影像５ａ’　を示している。レチクル５の
マークＲＲとＲＬも像ＲＲ’とＲＬ’　としてそれぞれ
投影像５ａ’のＸ軸上に沿った両脇に投影される。尚、
ここではレチクル５の投影像の内部座標系ｘｙの原点を
ステージ７の直交座標系ＸＹの原点０と一致させ、投影
レンズ６による歪曲収差は無視し得るものとして扱って
いる。通常、レチクル側の第２直交座標系ｘｙはウェハ
側の第１直交座標系ＸＹに対して回転偏位による重ね合
わせ誤差をもち、第６図はそれを誇張して示したもので
、この回転偏位量を角度εで表わしている６本発明のひ
とつの実施態様においてはこの角度εが無視できるほど
小さくなるように調整する代りに、焼付けられたパター
ンが実質的に角度εの影響を受けなくなるようにステー
ジ７を移動制御することで回転偏位による重ね合わせ誤
差をなくそうとするものである。

第６図においてマーク像ＲＬ’　とＲＲ’　はレチクル
５の投影像の一部であって、それらのｙ軸座標値は一致
しているものとする。またレチクル５の投影面レベルは
縮小開口部材８の開口面レベルと一致し、部材８はこの
投影面内をステージ７の移動と共に２次元移動するもの
とする。ここで角度εの測定法について述べると、まず
、微小開口部材８の開口面にレチクルの投影像が結像す
るように、ギャップセンサ１２と焦点検出部３９および
Ｚ軸駆動部３８を用いて焦点合わせを行なう。

その後、ステージ７を移動させてマーク像ＲＲ’とＲＬ
’　をスリット間口８ａで走査し、この走査時に得られ
る充電検出器９の出力と、レーザ干渉計１３と３４の出
力とにより、マーク像ＲＲ’　とＲＬ’　との第１直交
座標計ＸＹでの位置を計測する。これは例えば第６図に
おいてスリット間口８ａがＹ軸方向に移動してマーク像
ＲＲ’又はＲＬ’　を走査した際に、スリット開口８ａ
とマーク像とが合致した瞬間に光電検出器９がピーク値
を示すから、このピーク値の得られたときの位置なレー
ザ干渉計１３と３４で計測すればよい。このようにして
計測されたマーク像ＲＲ’のＹ座標値をＹＲＩ　マーク
像ＲＬ″のＹ座標値をＹＬとし、ステージ７のＸ軸方向
の移動量から求めたマーク像ＲＲ’　とＲＬ’　　との
間隔をρとすると、角度εは通常は微小角度であるので
次の（１１式のように表わされる。

ε＝ｊａｎ−’　　（ＹＲ−ＹＬ）　／（１押（ＹＲ−
ＹＬ）／ｕ　　・・・・・・（１）またレチクル５上で
のマークＲＲとＲＬとの間隔が予じめ判っていれば、そ
の投影像ＲＲ’　とＲＬ’のＸ＠力方向間隔℃°も判る
ので、角度６は次の（２）式のように表わすこともでき
る。

ε＝ｓｉｎ−’　　（ＹＲ−ＹＬ）／Ｉｌ’〜（ＹＲ−
ＹＬ）／ＩＬ’　・・・・・・（２）こにょうにして予
しめ角度εが求められ、以後のステップアンドリピート
方式の露光操作におけるステージ７のステッピング移動
の方向補正情報として用いられる。

以上の説明の中で、第６図においてマーク像ＲＲ’　と
ＲＬ’が回路パターン領域像５ａ’から離れている程、
回転偏位量（角度ε）の測定精度が向上する。また微小
開口部材８のスリット開口８ａおよびマーク像ＲＲ’　
とＲＬ’のスリット形状の長さが長い程、検出光量が増
加するので測定精度が向上する。ここでｌまたは１゛の
長さが長くなるようにした場合、マーク像ＲＲ’　とＲ
Ｌ’が繰返し露光される隣の回路パターン領域像に重な
るので、このようなときにはマーク像ＲＲ’　とＲＬ’
　に対するレチクル５への照明光源からの入射光だけを
シャッタ４ｂと４０により選択的に遮光できるようにし
て、回転偏位ｉｔ（角度６）の測定時のみこれらシャッ
タ４ｂと４０を開き、回路パターンの露光時にはこれを
閉しるようにする。

尚、回転偏位量の測定精度がそれほど高くなくてもよい
場合には、マーク像ＲＲ’やＲＬ’のような特別なマー
クを用いずに、回路パターン領域像５ａ’内のＸ軸と平
行な線、例えばパターン領域と周囲との境界線の像の両
端部（第６図にｉｌ、ｉ２の位置計測は、ｉｆ、ｉ２の
明暗境界をスリット開口８ａが横切ったときの光電検出
器９の出力信号立上りまたは立下りの中央でのレザ干渉
計１３．３４の計測値を用いて行なう。

次に木実ｈｈ例を装置を用いた動作について説明する。

まずはしめに、ウェハｌＯに対して回路パターンの第１
層目を焼付ける場合の露光動作を第７図、第８図および
第９図と共に説明すれば以下の。

通りである。

この場合、ウェハｌＯの表面には未だ回路パターンもア
ライメント用のウェハマークも存在しないから、ウェハ
１０は第５図に示すようにその外周部の一部に設けられ
た直線状の切欠きであるファセット（またはフラット）
１０ａを基準にしてウェハホルダｌｌ上に載置され吸着
固定される。

本実施例では、ファセット１０ａの直線方向がステージ
７のＸ軸方向と一致するように位置決めされる０次いで
ギャップセンサ１２と焦点検出部３９およびＺ！１Ｉｔ
ｈ駆動部３８によりウェハ１０の表面を投影結像面に焦
点合わせする。その後、レーザ干渉計１３と３４、Ｘ軸
駆動部３５およびＹ軸駆動部３６によりステージ７を一
定距離ずつ移動させてはシャッタ４ａを所定時間だけ開
き、レチクル５のパターン領域５ａの縮小投影像をウェ
ハ１０上のフォトレジストに露光転写することを繰返す
。この場合、シャッタ４ｂ、４ｃは閉じられ、マークＲ
ＲとＲＬの像がウェハ１０上に転写されるのを防止する
。このようにしてウェハ１０のほぼ全面にパターン領域
５ａの縮小像がマトリックス状に転写され焼付けられる
ことになる。

ここでもしレチクル５に前述したような角度εの回転偏
位が存在したままステップアンドリピート方式の露光転
写を行なうと、ステージ７のＸ軸方向の歩進によって、
第７図に示すように、ウェハ１０に次々に転写されるパ
ターン領域Ｐ０．Ｐ。

の中心を結ぶ線分はＸ＠上に位置するものの個々のパタ
ーン領域は偏位角度εだけＸ軸（又はＹ＠）に対して回
転した状態で転写されてしまう。

そこで本実施例では前述のように予じめ求めておいた角
度εを用いてＣＰＵ３０内でＸＹ座標に対し角度εだけ
回転した別の直交座標系αβ（以上第３直交座標系と云
う）をウェハ１ｏに対して設定するものである。

今、ひとつのパターン領域Ｐ。を転写したのち、次のパ
ターン領域Ｐ１の転写のためにステージ７をＸ軸方向に
歩進させるに際して、ステージ７の歩進方向をα軸に沿
わせることで次の転写パターン領域Ｐｌの代りに２２と
なり、このパターン領域Ｐ、と前記パターン領域ＰＧと
の配列をみれば判るように第３直交座標系αβをウェハ
１０上での転写パターンのマトリクス配列座標にするこ
とで回転偏位（角度ε）が実質的に相殺されることにな
る。

そこで、ウェハ１０内の配列座標を第３直交座標系αβ
に定めてこの座標軸αβに沿ってパターン領＃Ｃ露光位
置の位置決めをすることにし、ステージ７には第３の直
交座標系と第１の直交座標系との間の座標変換によって
そのステッピング位置を与えるようにする。

今、第８図のように、投影レンズ６で投影しているパタ
ーン領域をＰｏ９次に露光転写すべきパターン領域をＰ
２とし、パターン領域Ｐ２の中心を０２とする。また第
３直角座標系αβにおけるパターン領域Ｐｏの中心Ｏの
座標値を（β０．β０）、パターン領域Ｐ２の中心Ｏ７
の座標値を（β１゜β１）とし、投影レンズ６の光軸、
すなわちパターン領域Ｐ０の中心を原点とするステージ
７の第１直交座標系ＸＹに対してウェハ１０上の配列座
標系αβが角度εだけ反時計方向に回転しており、座標
系αβの原点０１が座標系ＸＹの座標値（Ｘｏ、Ｙｏ）
を持っているものとする。

パターン領域Ｐ。の露光が終了し、パターン領域Ｐ２の
中心０．と座標系ＸＹの原点Ｏ（投影レンズ６の光軸）
とを一致させるためには、ステージ７を現在の位置、す
なわち（Ｘｏ、Ｙｏ）から、第８図の通りＸ軸方向にΔ
Ｘ、Ｙ軸方向に△Ｙだけ移動させればよい。ここでΔＸ
と△Ｙは、ΔＸ＝（β１−α。）ｃｏｓε−（β、−β
。）ｓｉｎεΔＹ＝　（ａ、−ａ、）ｓｉｎ　ｇ＋（β
１−β（１）ｃｏｓ　ｅと表わされ、角度εが充分小さ
ければ、ΔＸ−（β１−β０）−（β１−β。）ε　・
・・（３）△Ｙ＝（β８−α。）ε−（β１−β。）　
　・・・（４）と近似できる。

第５図に示したＣＰＵ３０にこの（３）　、　（４）式
をプログラムしておき、さらに露光転写すべき各パター
ン領域の中心位置を前記配列座標系αβの座標値として
予じめ記憶させておき、先に検出しておいた角度εを用
いて（３）　、　（４）式の演算を行ない、結果的に角
度６を相殺するようにステージ７のステッピング移動を
制御する。このステッピングは、ステージ７の現在位置
（Ｘｏ、Ｙｏ）に対してレーザ干渉計１３と３４のカウ
ンタ測定値をΔＸΔＹだけ変化させるようにステージ７
の位置を移動させて行なうものであり、例えばウェハ１
０のファセット１０ａの直線と平行な一列をステップア
ンドリピート方式で露光転写するには、パターン領域の
中心座標値のうちβ。とβ１を互いに等しい値とし、β
１−α。をピッチＥ、として、（３）　　（４）式から ΔＸ−Ｅ。

ΔＹ−Ｅ、・ε となるようにステージ７のステッピングを行なえばよい
。例えば９個のパターン領域を一列に転写した場合、第
９図に示すようにこの一列のパターン領域Ｅ、〜Ｅ９の
それぞれの中心Ｃ２〜ｃ９は全てα軸上に並び、各パタ
ーン領域Ｅ、〜Ｅ９のいずれもが座標系αβに関して回
転偏位な（並び、唯、座標系ＸＹのＸ軸と平行にされた
ファセット１０ａの直線に対してα軸が角度εだけ傾い
ているだけである。このようにして二列目、三列目も同
様に座標系αβ上にパターン領域を入れさせながら露光
転写することで、ウェハ１ｏの全面に、第７図の如き回
転偏位を生じることなく、配列座標系αβに従って整列
した転写パターンを得ることができる。尚、この第１層
目の転写によって、第２層目以降の重ね合わせのアライ
メントのためのウェハマークが各パターン領域内または
その近傍のストリートライン上に転写されることは前述
した通りである。

このように、レチクル５が角度６の回転偏位を伴うよう
なセット条件下にあっても、ウェハ１゜に転写された第
１層目のパターン領域はいずれも実質的に角度εの影響
を受けることがない。

次に第２層目以降のパターンの重ね合わせ露光転写につ
いて第１０図および第１１図と共に説明する。

第１Ｏ図は、第３図に示した投影レンズ６、アライメン
ト顕微鏡ＷＬ、ＷＸ、ＷＲの配置関係を第１直交座標Ｘ
Ｙ平面上に示した説明図で、投影レンズ６の最大露光領
域６ａ内におけるレチクルパターン領域５ａの投影領域
６ｂの中心、すなわち投影レンズ６の光軸は、第１直交
座標ＸＹの原点に一致しているものとする。投影レンズ
６の周囲の所定位置に配置された各アライメント顕微鏡
ＷＬ、ＷＸ、ＷＲはそれぞれの視野に見たてた破線の円
で示されており、それぞれの検出中心をＬＣ，ＸＣ，Ｒ
Ｃとし、ＬＣとＲＣのＸ軸方向の間隔をＬとして示す。

第１１図は、すでに第１層目のパターンが転写されてい
るウェハ１０を模式的に示す平面図で、ウェハ１０内の
成る一列のパターン領域Ｅ１〜Ｅ６とその近傍のみを描
いである。パターン領域Ｅ１〜Ｅ６の上下、左右のスト
リートライン上には、配列座標系のβの各軸に沿って細
長いアライメント用のウェハマークがすでに形成されて
いる。ここでは、これらのウェハマークのうち、α軸と
平行な１本のストリーｉ・ライン上で互いに間隔がほぼ
したけ離れた２つのウェハマークＡＬとＡＲｌそれにβ
軸と平行な１本のストリートライン上の１つのウェハマ
ークＡＸを２層目以降の重ね合わせ露光のウェハ１０の
アライメント用に使うものとする。

さて、第２層目のパターンの露光に先立って、レチクル
５として第１層目のときとは異なる回路パターンのもの
がレチクルホルダ１５にマウントされる。従って再びレ
チクルによる回転偏位を考慮する必要がある。そこで第
２層目のパターン露光に際しても、まずステージ７を移
動させてレチクル５の透光マークＲＲとＲＬの投影像を
微小開口部材８と光電検出器９とによって検出し、レー
ザ干渉計１３．３４によってその位置座標を求め、回転
偏差を（１）又は（２）式に従って角度εとして検出し
ておく。

次にアライメント顕微鏡ＷＬはＷＲの検出中心ＬＣとＲ
Ｃの調整を行なうが、この調整では、第１０図に示すよ
うに、アライメント顕微鏡ＷＬとＷＲの雨検出中心ＬＣ
とＲＣを結ぶ線分がＸＹ座欅平面上においてＸ軸に対し
前記角度ε′だけ傾くようにする。このためにはアライ
メント顕微鏡ＷＲの検出中心Ｒｅを、第２層目のレチク
ルの回転偏位角度ε°からδｙ　”Ｆ　Ｌ・ε°で求め
られる変位量δｙだけＹ軸方向に変化させればよい。こ
れは、具体的には、アライメント顕微鏡ＷＲの光学系内
部のバーピングガラスやプリズム等の光学部品を回転ま
たはシフト移動させることにより微調整可能である。こ
の場合、検出中心ＲＣを決まった量だけ変位させるのに
、バーピングガラス等の回転角またはプリズム等の移動
量を検出する別の検出手段を設けてその検出信号を用い
て行なってもよいが、前記レーザ干渉計１３．３４を利
用して行なうほうが何かと好都合である。このレーザ干
渉計１３．３４を利用する場合においては、ステージ７
に固定した位置検出用の微小開口部材８のスリット間口
８ａを利用して、まずアライメント顕微鏡ＷＬの検出中
心ＬＣと、前記スリット開口８ａのＹ軸方向の中心とが
一致するようにステージ７の位置決めを行ない、前記レ
ーザ干渉計３４でそのときのＹ座標値ｙｗ１を計測する
。次いでステージ７を距ｆｉｔ　ＬだけＸ軸方向に移動
させて、同じスリット開口８ａをアライメント顕微鏡Ｗ
Ｒで検出できるようにする。このときレーザ干渉計３４
によるＹ軸座標測定値が（ｙ　ｗ　ｌ＋δｙ）となるよ
うにステージを位置決めし、その後に検出中心ＲＣとス
リット開口８ａの中心のＹ座標値が一致するようにアラ
イメント顕微１１ＷＲの光学系内の光学部品を回転また
は移動させる。

以上のようにしてアライメント顕微鏡ＷＬとＷＲの調整
が終了すると、次にウェハ１０（第１層目の転写パター
ンが形成されたもの）をホルダｌｌ上に載置し、真空等
により吸着固定する。この場合、ウェハ１０はファセッ
ト１０ａを使ってホルダ１１上に粗く位置決めされる。

その後、ウェハｌＯ上の１つのストリートライン上に距
Ｉｌ！ｔしたけ離れて形成された２つのウェハマークＡ
ＬＡＲがそれぞれアライメント顕微鏡ＷＬとＷＲの検出
視野内に入るようにステージ７を位置決めする。この位
置決めは、ステージ７上の微小開口部材８に対するウェ
ハ１０の位置が概ね定められているから、予じめアライ
メント顕微鏡ＷＬとＷＲの検出中心ＬＣとＲＣが微小開
口部材８のスリット開口８ａと一致したときのステージ
７の座標値を記憶しておくことで容易に行なうことがで
きる。

さて、ウェハ１０上の２つのウェハマークＡＬとＡＲが
アライメント顕微鏡ＷＲとＷＬによってとらえられると
、アライメント顕＠鏡Ｗ　Ｌの検出中心ＬＣとウェハマ
ークＡＬとが一致し、アライメント顕微ｆｉＷＲの検出
中心ＲＣとウェハマークＡＲとが一致するように、ウェ
ハホルダ１１をθ軸回転駆動部３７により回転させる。

この際、ウェハホルダ！１の回転中心をウェハマークＡ
Ｌの近傍に定めておくと、ホルダ１！を回転したとぎ、
アライメント顕微鏡ＷＬの検出中心ＬＣからのウェハマ
ークＡＬのずれ量は極めて小さくなる。この場合には、
実質的にアライメント顕微鏡ＷＲの検出中心ＲＣからの
ウェハマークＡＲのＹ軸方向のずれが零となるようにウ
ェハホルダｌの微小回転またはステージ７のＹ軸方向へ
の微小８勤を行なうだけでよい。このようにしてウェハ
ｌＯのステージ７に対する回転位置が定まるとホルダ１
１はステージ７に固定される。

以上にようにしてウェハ１０内の配列圧＋＝　＆αβは
第１２図に示す如くステージ７のＸＹ座漂軸に対して角
度ε゛だけ傾いて位置決めされ、従って第２層目のレチ
クル５の投影パターン領域Ｐ。

とウェハ１０上にすでに存在する第１層目の各パターン
領域Ｅ、〜Ｅ６とは、それぞれＸＹ座標軸に対して反時
計方向に角度６°だけ傾いた状態で設定される。このよ
うなウェハ１０の位置決めが終了すると、ウェハマーク
ＡＬとアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心ＬＣとが一致
したときのステージ７のＹＩＱ標値、およびステージ７
を移動してウェハマークＡＸとアライメント顕微鏡ＷＸ
の検出中心ＸＣとが一致したときのステージ７のＸ座標
値とに基づいて、ＣＰＵ３０がパターン領域Ｐ０と、ウ
ェハｌＯ上の各パターン領域Ｅ、〜Ｅ６との中心位置関
係を求め、パターン領域Ｐ。

がＥｌに重なるようにステージ７を移動し、シャッタ４
ａを開いて露光する。次いでパターン領域Ｐ０をＥ２以
下の第１層目パターン領域のそれぞれに順次重ね合わせ
るためにステージ７のステッピング移動するが、その際
には前述の（３）　、　（４）式に基づいてステージ７
を位置決めすれば、レチクル５の角度ε°の回転偏位は
ウェハ１０上の全てのパターン領域において相殺され、
従って第１層目と第２層目のパターン領域が互いに回転
偏位なく重ね合わされることになる。以下、第３層目以
降についても、アライメント顕微鏡ＷＬ、ＷＲの調整を
行ない、同様にステップアンドリピートの焼付けが回転
偏位の発生なしに行なわれる。

尚、前述の実施例ではアライメント顕＠鏡ＷＬ、ＷＲの
調整を微小開口部材８と光電検出器９とを用いて行なっ
たが、ウェハ１０上にウェハマークＡＬがあるときはそ
れを用いても同様に調整が行なえる。この場合、まずウ
ェハマークＡＬをアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心Ｌ
Ｃと一致させたのちステージ７をＸ軸方向に移動させ、
アライメント顕微鏡ＷＲがウェハマークＡＬをその検出
視野内にとらえたらステージ７を停止し、その検出中心
ＲＣとウェハマークＡＬと−が一致するように検出中心
ＲＣを位置調整する。これによって両アライメント顕微
鏡ＷＬとＷＲの検出中心ＬＣとＲＣを結ぶ線分がＸ軸と
平行になる。その後、予じめ求めておいた角度ε゛に基
づいてδｙ”Ｆ　Ｌε゛だけステージ７をＹ軸方向に移
動させて位置決めし、アライメント顕微鏡ＷＲの検出中
心ＲＣが再びウェハマークＡＬと一致するように該アラ
イメント顕微鏡ＷＲの光学系中のバーピングガラスやプ
リズム等を変位させればよい。

また前述の実施例は投影型露光装置に適用した場合であ
るが、本発明はこれに限らず、マスクとウェハとを微小
間隙を介して対面させ、マスク側から露光用の光線或い
はＸ線等を照射し、ウェハ上にマスクのパターン像を転
写しては一定距離だけマスクを平行移動させてこれを繰
返す所謂プロキシミティ方式（近接方式）のステップア
ントリピート露光装置にも同様に通用可能であることは
述べるまでもない。

以上のように、本発明によれば、マスク（レチクル）の
被露光体（ウェハ）移動座標系に対する回転偏位を定量
的に短時間で精度よく求め、露光に先立ってウニへ穆動
位置を補正できるから、重ねて焼付けられる回路パター
ン同士がレチクルの回転偏位に起因して位置ずれを起す
のを効果的に防止でき、レチクル毎に１度だけアライメ
ント顕微鏡の調整をする等の操作だけで以後のステッピ
ング中にレチクルの回転偏位が残らず、従って回転偏位
による重ね合わせ誤差の防止が掻く短時間の調整で果し
得るものである。

さらに本発明によれば、ウェハ上の回路パターン、所謂
チップのローテーションが防止された第１層のウェハが
作られるから、第２層以降の重ね合わせ精度も向上する
といった効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は重ね合わされたパターン相互間の回転偏位を示
す説明図、第２図は本発明の回転偏位検出装置の通用対
象例としての縮小投影型露光装置の概略図を示す構成図
、第３図はレチクル透光マークの位置および投影レンズ
周囲の３木のアライメント顕微鏡の配置の様子を第１直
交座標、ｉＸＹおよび第２直交座標系ｘｙとの関連で示
した模式斜視図、第４図（ａ）　（ｂ）は微小開口部材
の一例を示す平面図とそのＡ−Ａ線矢視断面図、第５図
は実施例に係る露光装置制御系の構成を示すブロック図
、第６図はレチクルパターンのウェハ上での投影像を第
１および第２直交座標系の原点を一致させて示した拡大
図、第７図はステージの歩進によって次々に露光したと
きの隣り合う転写パターンの回転偏位とその相殺を示す
説明図、第８図はステージの歩道に際しての位置決め座
標変換を示す説明図、第９図は第１層目の転写パターン
について回転偏位が相殺されることを示すウェハ上の転
写パターン配列の説明図、第１０図は投影レンズと各ア
ライメント顕微鏡の第１直交座標ＸＹ平面上での配置関
係を示す説明図、第１１図はすでに第１層目のパターン
が転写されたウェハの模式平面図、第１２図は第２層目
のパターンの重ね合わせを示す説明図である。 １：照明光学系、２．３：コンデンサレンズ、４ａ、４
ｂ、４ｃニジｖツタ、５ニレチクル、５ａ：パターン領
域、６：投影レンズ、７：ステージ、８：微小開口部材
、８ａミニスリット口、９：光電検出器、１０．ウェハ
、１１：ウェハホルダ、１２：ギャップセンサ、１３：
レーザ干渉計、１４：反射鏡、１５ニレチクルホルダ、
ＷＬ、ＷＸ、ＷＲ：　アライメント顕微鏡、３０：マイ
クロコンピュータ（ＣＰＵ）、３１　：インターフェー
ス、３２：シャッタ駆動部、３３ニレチクルアライメン
ト制御系、３４：レーザ干渉計、３５：Ｘ軸駆動部、３
６：Ｙ軸駆動部、３７．０軸駆動部、 部、ＲＲ。 マーク像、 Ｅ１〜Ｅ９ ３８・Ｚ軸駆動部、３９：焦点検出 ＲＬ：透光マーク、ＲＲ’　、ＲＬ’ ＡＬ、ＡＲ，ＡＸ：ウェハマーク、 二転写されたパターン領域。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスク上に描かれたパターンを被露光体上に露光
   する露光装置において、 前記マスクを装置本体に保持する際の回転方向の保持誤
   差を検知する手段と、検知した保持誤差に基づいて前記
   被露光体を載置するステージの位置補正を行なう手段と
   を具備することを特徴とする露光装置位置合わせ装置。
2. （２）前記位置補正手段による位置補正は、ステージの
   第１方向のステップ移動の際に、該第１方向と直交する
   第２方向へ位置補正することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の装置。
3. （３）マスク上に描かれたパターンを被露光体上に露光
   する露光装置において、 前記マスクを装置本体に保持する際の保持誤差を検知す
   る第１の手段と、前記被露光体上に付されたマークの位
   置を検知する第２の手段と、前記第１の手段により検知
   した保持誤差および第２の手段により検知した被露光体
   上のマーク位置に基づいて前記被露光体を載置するステ
   ージの位置補正を行なう手段とを具備することを特徴と
   する露光装置の位置合わせ装置。
4. （４）前記位置補正手段による位置補正において、前記
   保持誤差のうちの回転方向成分を前記ステージの回転方
   向駆動系で補正するとともに前記ステージの第１方向の
   ステップ移動の際に、該第１方向と直交する第２方向へ
   位置補正することを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載の装置。