JPH04127415A - 位置合わせ装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、マイクロメータ以下の製造ルールが必要とさ
れる半導体（以下、ＬＳＩ　という）等の露光装置（以
下、ステッパーという）のフォトマスクと試料（ウェハ
）との位置合わせを行う位置合わせ装置に関するもので
ある。

従来の技術 ＬＳＩ　の高密度化はとどまるところを知らず、現在で
はｇ線のステッパーで０８μｍ　の線やパターンの投影
露光を実現し、４ＭＤＲＡＭの生産が開始されている。

一方、エキシマレーザを用いた投影露光やＸ線露光によ
り０．５μｍ　以下の線幅の解像も実現されつつあり、
１６ＭＤＲＡＭ　の製造も現実のものとなろうとしてい
る。

しかしながら、超微細なパターン転写のためには、高性
能なパターン転写光学系のほかに、解像線幅の１１５〜
１／】０オーダーでフォトマスクとウェハを高精度に位
置決めする技術が不可欠であり、０．２５μｍ線幅の次
世代のＬＳＩ製造には０１μｍ以下の位置合わせ精度が
必要であると言われている。

従来からのＬＳＩ製造時のフォトマスクとウェハの位置
合わせは、ウエノ＼を装着したステージを露光光軸と垂
直面内で回転および直交２方向に平行移動し、ウェハに
設けた位置合わせマークの画像を捕えて位置合わせを行
っていたため、その位置合わせ精度は０．２μｍ程度で
あり、サブミクロン素子を露光する場合には精度的に不
十分であった。

サブミクロンの素子を露光する場合には、Ｓ。

オースチン（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ　ｖｏｌ。

３１　　ＮＯ，７，１９７７）らが示した２重回折法を
応用した方法や、光ヘテロダイン干渉を上記の方式に応
用し、かつギャップ制御を加えた方式（１９８７％式％ ２８ａ−Ｎ−５）が提案されている。以下、上記従来技
術について図面を参照しながら説明する。

第３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
とウェハ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
。回折光はこのほか、入射レーザ光１旧に対して対称な
方向にも生じ、フォトマスク１０２とウェハ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、数１００Ｘとされている。

第４図は、応用物理学関連講演会予稿集の光〜テロダイ
ン法による位置合わせの原理説明図である。

２波長直線偏光レーザ光源２０１から発したレーザ光２
０２は、偏光ビームスプリッタ２０３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線偏光で、し
かも、周波数がわずかに異なる２波長の光に分解する。

一方の光はミラー２０４．２０５を介し、他方の光はミ
ラー２０６を介してそれぞれ所望の入射角でＸ線マスク
２０７上に形成された回折格子２０８およびウェハ２０
９上に形成された回折格子２１０上に第４図のＡ部のよ
うに投射して干渉させる。回折格子２０８．２１０での
再回折光をミラー２１１で光検出器２１２．２１３に導
き、干渉によって得られた光検出器２１２．２１３によ
るＸ線マスク２０７とウェハ２０９のビート信号からＸ
線マスク２０７とウェハ２０９間の位置ずれ量をビート
信号の位相差として位相計２１４で検出する。また、Ｘ
線マスク２０７とウェハ２０９間のギャップを制御する
ために、前述のミラー２０４と２０５の中間にビームス
プリッタ２１５を設けて光を一部取り出し、この光をミ
ラー２１６．２１７により上記Ａ部上に投射してミラー
２０６からの回折光と干渉させる。この光をミラー２１
８により光検出器２１９．２２０に導き、上記光検出器
２１２．２１３のビート信号とから計算によってＸ線マ
スク２０７とウェハ２０９とのギャップを得る。以上か
らＸ線マスク２０７とウェハ２０９のギャップ（間隔）
の制御と位置合わせを行うことができる。

発明が解決しようとする課題 しかし、上記従来例のうち、前者（２重回折法）の構成
では、フォトマスク１０２とウェハ１０５の間隔りは、
ｄｘｄ／λの整数倍（ただし、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
がディテクタ上での光強度に大きく影響する。すなわち
、位置合わせの信号のギャップ依存性が高く、位置合わ
せが困難である。また、ディテクタ上で観測される回折
光（１，０）、（ｏ、１）、（−２，１）以外に他の回
折光も含まれ、位置合わせ信号のＳ／Ｎの悪化が生じ、
実用が困難であった。

一方、後者（〜テロダイン法の応用）の構成では、２枚
のミラー２０５．２０６を用い、格子ピッチにより決ま
る特定の２方向から周波数のわずかに異なる２波長の光
を分離して入射させているため、各光軸の調整を十分に
行えば、前者に比べ、はるかに高い精度を得ることがで
きる。その結果、Ｓ／Ｎが良好であるが、分離された異
なる２波長の光束が異なる光路を通るため、Ｘ線マスク
２０７とウェハ２０９の合わせ誤差によって生ずる位相
差に、光路中の変動要因（例えば、空気のゆらぎなど）
によって生ずる位相差が重畳し、合わせ情報の劣化が生
じる。また、この従来例においても上記のような光検出
器２１２．２１３上で観測される回折光以外の他の回折
光が含まれ（特に、ウェハ２０９側の反射率が高いとき
にＸ線マスク２０７からの信号に見られる）、Ｘ線マス
ク２０７とウェハ２０９の間でレーザ光が繰シ返し反射
をする現象であるところの多重反射を生じ、前者に比べ
れば１けた以上少ないが、精度を悪化させる要因になり
、また、出力信号電圧の変動がギャップと波長の関数に
よって生じる。つまり、光軸調整をした後にＸ線マスク
２０７０反射回折効率７チ、透過回折効率２５チ、ウェ
ハ２０９の反射率９０チ、レーザ光２０２の偏光方向の
楕円度２９：１、レーザ管２０１の理想平面からの回転
１度、偏光ビームスプリッタ２０３の回転１度等とする
と、第５図の下側に示すように、信号強度はλ／２（λ
：レーザ波長）ごとに０から１００％変化する。このと
き、第５図の上側に示す位相差は、信号強度Ｏ付近で約
３度はど変化してしまうという問題がある。また、ギヤ
ツブを精密に制御するようにギャップの測定用にビーム
スプリッタ２１５から光検出器２１９．２２０に至る測
定系が追加されているので、非常に光路が複雑になり、
実用的でない。更に、多重反射が生じた場合には、ギャ
ップによって検出信号レベルが低くなる場合があるため
、この信号で制御を常に行うことは難しいし、精度低下
の原因になるなどの問題を有していた。

本発明は、上記従来の問題を解決するものであり、わず
かに周波数が異なシ、かつ偏光方向が互いに異なる２波
長の光を大きく分離することなく、はぼ同一の光路を経
て回折格子に照射し、光ビート信号を取り出すことを可
能とし、マスク、ウニ５間のギャップ変動、光路中の変
動による位置決め精度の低下を防ぎ、かつ基準格子と照
明光学系を用い、不要な回折光を分離を図り、安定した
光ビート信号を得ることにより、高精度に位置合わせす
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。

課題を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するために、互いにわずかに
周波数が異なり、かつ偏光方向が異なる２波長の光を出
射するコヒーレント光源と、このコヒーレント光源から
出射した光を回折する第１の回折格子が形成された基準
格子と、この基準格子からの回折光を選択的に透過させ
る照明光学系と、上記基準格子からの回折光の光路中に
設けられた少なくとも１つの１／２波長板と、フォトマ
スクとウェハの相対位置と間隔を制御するための駆動機
構と、上記フォトマスクおよびウェハにそれぞれ設けら
れ、上記照明光学系により照明される第２および第３の
回折格子と、これら第２および第３の回折格子からの回
折光をそれぞれ取り出し、光ビート信号を検出する第１
および第２の検出手段と、上記フォトマスクとウェハの
相対位置を制御するため、上記第１および第２の検出手
段から得られる光ビート信号の位相比較を行う位相比較
手段と、上記フォトマスクとウェハの間隔を制御するた
め、上記第１および第２の検出手段から得られる光ビー
ト信号の強度を検出する信号強度測定手段とを備えたも
のである。

作　　　　用 したがって、本発明によれば、わずかに周波数が異なり
、かつ偏光方向が異なる２波長の光を基準格子の第１の
回折格子に照射し、第１の回折格子からの０次、±１次
回折光は、照明光学系の通過時に０次光がカットされ、
他の１つの回折光が光路中で１／２波長板で偏光方向を
変換し、照明光学系のＮＡ　（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａ
ｐｅｒｔｕｒｅ　）　　で規定される角度でフォトマス
ク上の第２の回折格子およびウェハ上の第３の回折格子
に照射される。第２の回折格子からの特定の回折光から
得られる光ビート信号と第３の回折格子からの特定の回
折光から得られる光ビート信号の位相差が第２の回折格
子と第３の回折格子の相対位置ずれ量に対応するので、
この光ビート信号から検出された位相差をもとに、駆動
機構によりフォトマスクおよびウェハを移動させて相対
位置を合わせることができる。

このようにわずかに周波数が異なり、かつ偏光方向が互
いに異なる２波長の光を大きく分離することなく、はぼ
同一の光路を経て回折格子に照射し、光ビート信号を取
り出してマスクとウェハを位置合わせすることができる
。このとき、信号強度測定手段により光ビート信号の強
度をモニターし、最大強度になるように駆動機構により
フォトマスクとウェハの少なくとも一方を移動させてそ
の間隔を制御することにより、高い信号強度を得ること
ができ、Ｓ／Ｎを高めることができると共に、多重反射
の影響をなくすことができる。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面を診照しながら説
明する。

第１図および第２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
要部の拡大図である。

第１図および第２図において、１１はわずかに周波数が
異なり、偏光方向が互いに直交する２波長のレーザ光１
２を発するゼーマンレーザ、１３はレーザ光１２の光路
を折り返すためのミラー１４はピッチＰの等間隔直線格
子からなる第１の透過型の回折格子１５を有する基準格
子、１６．７．１８はそれぞれレーザ光１２が基準格子
１４の第１の回折格子１５で回折された＋１次回折光、
−１次回折光、０次回折光、１９は一１次回折光１７の
偏光方向を９０度変換する１／２波長板、２０は一１次
回折光１７が１／２波長板１９を透過して偏光方向が９
００変換された一１次回折光、２１　は倍率が１で開口
数ＮＡがλ／Ｐ（λ：レーザ波長）である両側テレセン
トリックに構成された照明光学系であり、２つのフーリ
エ変換レンズ２２．２３と、これらフーリエ変換レンズ
２２．２３の間でスペクトル面２４に設けられ、０次回
折光１８をカントする空間フィルタ２５　とから構成さ
れている。２６はマスク２７上に形成されたピッチＰの
等間隔直線格子からなる第２の反射型の回折格子、２８
はウェハ２９上に形成されたピッチＰの等間隔直線格子
からなる第３の反射型の回折格子である。マスク２７と
ウェハ２９は２０μｍ程度の近接された均一のギャップ
（間隔）で平行に保たれている。３０はマスク２７を登
載したＸ１Ｙ１　θ、α、β、Ｚの６軸の移動可能なマ
スクステージ、３１はウェハ２９を登載したＸ％Ｙ１　
θ、α、β、Ｚの６軸の移動可能なウェハステージであ
り、これらマスクステージ３０とウェハステージ３１の
駆動によりマスク２７　　とウェハ２９の相対位置とギ
ャップ（間隔）が制御される。３２と３３は各々マスク
２７の第２の回折格子２６とウェハ２９の第３の回折格
子２８で回折された±１次回折光であり、基準格子１４
の第１の回折格子１５　とマスク２７、ウェハ２８の第
２、第３の回折格子２６．２８の回折次数で２値表示す
ると、（＋１、−１）、（−１、＋１）となる。３４は
回折光３２と３３の光路を変える反射ミラー３５は回折
光３２．３３を集光する集光レンズ、３６は直交２偏光
のレーザ光を干渉させるために必要な偏光方向３２ａ１
若しくは３２ｂと３３３１若しくは３３ｂを選択する偏
光子、３７は集光レンズ３５の結像面に設置され、偏光
子３６で選択された回折光３２ａ（若しくは３３ａ）と
３３ａ（若しくは３３ｂ）を分離するナイフェツジミラ
ー　３８はナイフェツジミラー３７で分離された第２の
回折格子２６からの回折光３２ａ（若しくは３２ｂ）を
受光する第１の光検出器、３９はナイフェツジミラー３
７で分離された第３の回折格子２８がらの回折光３３ａ
（若しくは３３ｂ）の光路を変える反射ミラ４０は反射
ミラー３９で反射された回折光３３ａ（若しくは３３ｂ
）を受光する第２の光検出器である。

５０は光検出器３８．４０からの光ビート信号の位相を
検出する位相計、５１は光検出器３８．４０からの光ビ
ート信号の光強度を検出する信号強度検出器、５２は位
相計５０からの出力に応じてマスクステージ３０をＸ、
Ｙ、　θ軸で移動させる駆動回路、５３は位相計５０か
らの出力に応じてウェハステージ３１　をＸ、Ｙ、θ軸
で移動させる駆動回路、５４は信号強度検出器５１から
の出力に応じてマスクステージ３０をα、β、Ｚ軸で移
動させる駆動回路、５５は信号強度検出器５１からの出
力に応じてウェハステージ３１をα、β、Ｚで移動させ
る駆動回路である。

以上の構成において、以下、マスク２７とウェハ２９の
位置合わせ動作について説明する。

ゼーマンレーザ】１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２波長のレーザ光１２　を出射さ
せ、反射ミラー１３により光路を曲げ、基準格子１４の
第１の回折格子１５へ入射させて回折する。第１の回折
格子１５で回折した＋１次回折光１６、−１次回折光１
７．０次回折光１８のうち、−１次回折光１７は１／２
波長板１９により偏光方向を９０度変更する。０次回折
光１８は照明光学系２】の空間フィルタ２５によりカッ
トし、＋１次回折光１６と偏光方向が９０度変更された
一１次回折光２０は照明光学系２１によりマスク２７上
の第２の回折格子２６とウェハ２９上の第３の回折格子
２８　Ｋ集光させ、再回折する。第２の回折格子２６　
と第３の回折格子２８からの回折光のうち、同一方向に
進む回折光３２．３３を反射ミラー３４を介して集光レ
ンズ３５で集光し、その途中で偏光子３６により必要な
偏光方向の回折光３２ａ１若しくは３２ｂと３３３１若
しくは３３ｂを選択する。そして、ナイフェツジミラー
３７により第２と第３の回折格子２６と２８からの同位
相の回折光３２ａ（若しくは３２ｂ）と３３ａ（若しく
は３３ｂ）とに分離し、回折光３２ａ（若しくは３２ｂ
）を第１の光検出器３８に導き、回折光３３ａ（若しく
は３３ｂ）を反射ミラー３９を介して第２の光検出器４
０に導く。このようにしてマスク２７　とウェハ２９上
に形成された第２と第３の回折格子２６と２８からのそ
れぞれの回折光３２ａ（若しくは３２ｂ）と３３ａ（若
しくは３３ｂ）を第１と第２の光検出器３８と４０で検
出すると、ゼーマンレーザ１１のわずかに異なる周波数
のビート信号と基準格子１４の第１の回折格子１５と第
２、第３の回折格子２６．２８の位置の違いを位相情報
として有する信号が得られる。この信号をもとに位相計
５０で位相差を検出すると、次の関係式が成り立つ。

Δφ＝４π△Ｘ／Ｐ （△φ：位相差、△Ｘ：第２、第３の回折格子２６．２
８の位置ずれ量、Ｐ：回折格子のピッチ） したがって、この位相差△φを０にするように駆動回路
５２、まだは５３によりマスクステージ３０、またはウ
ェハステージ３１　を移動させることにより、相対位置
を合わせる。例えば、ピッチＰを４μｍとすれば、約５
ｎｍの位置ずれを１度の位相差として検出することがで
きる。位相計５０にとって１度の検出は比較的容易であ
るので、信号のＳ／Ｎさえ良ければ高い検出精度を得る
ことができる。そこで、信号強度検出器５１　からの信
号をモニターし、駆動回路５４、または５５を制御して
マスクステージ３０、あるいはウェハステージ３１　の
ギャップ（間隔）方向を信号強度が最大になるように設
定する。つまり、ギヤノブを０１μｍ以下の分解能で制
御することにより、信号強度検出器５１は出力０から１
００％までλ／２のギャップ変化の周期で繰り返し変動
する。このとき、位相計５０の出力は第５図の上側で示
しだ位相差のように信号強度０付近で誤差を生ずる。

したがって、信号強度検出器５１の強度が最大値付近に
なるように上記ギヤノブ方向を制御することによシ、信
号強度が高いので、Ｓ／Ｎ点でも有利になると共に、光
学素子などがある程度の誤差を有し、ウェハ２９の反射
率が高い場合にも、Ｘ線マスク２７　とウェハ２９を十
分な精度で位置合わせすることが可能となる。

なお、上記実施例では、１軸の光学系について説明した
が、Ｘ線マスク２７　とウエノ）２９上に３個の回折格
子をそれぞれ設ければ、それぞれの位相差に対してＸ、
Ｙ、　　θを、信号強度に対してα、β、Ｚをマスクス
テージ３０、またはウェハステージ３１で制御すればマ
スク２７　とウェハ２９を３次元的に位置合わせするこ
とができる。また、マスクステージ３０とウェハステー
ジ３１はそれぞれ６軸で制御するようになっているが、
両方合わせて６軸で制御するようにしても上記実施例と
同様の制御を行って位置合わせすることができる。

また、１／２波長板１９は照明光学系２１の途中に配置
してもよい。このほか、本発明は、その基本的技術思想
を逸脱しない範囲で種々設計変更することができる。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、互いにわずかに周波
数が異なり、かつ偏光方向が異なる２波長の光を基準格
子の第１の回折格子に照射し、第１の回折格子からの０
次、±１次回折光は、照明光学系の通過次に０次光をカ
ットされ、他の１つの回折光が光路中で１７２波長板で
偏光方向を変換し、照明光学系のＮＡ　（Ｎｕｍｅｒｉ
ｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　）で規定される角度でフォ
トマスク上の第２の回折格子およびウェハ上の第３の回
折格子に照射され、第２の回折格子からの特定の回折光
から得られる光ビート信号と第３の回折格子からの特定
の回折光から得られる光ビート信号の位相差が第２の回
折格子と第３の回折格子の相対位置ずれ量に対応するの
で、この光ビート信号から検出された位相差をもとに、
駆動機構によりフォトマスクおよびウェハを移動させて
相対位置を合わせることができる。このようにわずかに
周波数が異なり、かつ偏光方向が互いに異なる２波長の
光を大きく分離することなく、はぼ同一の光路を経て回
折格子に照射し、光ビート信号を取り出すので、マスク
とウェハを高精度の位置合わせすることができる。

このとき、信号強度測定手段により光ビート信号の強度
をモニターし、最大強度になるように駆動機構によりフ
ォトマスクとウェハの少なくとも一方を移動させてその
間隔を制御することによシ、高い信号強度を得ることが
でき、Ｓ／Ｎを高めることができると共に、多重反射の
影響をなくすことができる。したがって、マスクとウェ
ハを更に一層高精度に位置合わせすることが可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２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
要部の拡大図、第３図は２重格子法を用いた従来の位置
合わせ装置の原理説明図、第４図はヘテロダイン法を応
用した従来の位置合わせ装置の概略構成図、第５図はＸ
線マスクからの信号出力の説明図である。 １１・・・ゼーマンレーザ、１４・・・基準格子、１５
・・・第１の回折格子、１９・・・１／２波長板、２１
　　・・・両側テレセント９ツク照明光学系、２６・・
・第２の回折格子、２７・・・マスク、２８・・・第３
の回折格子、２９・・・ウェハ、３０・・・マスクステ
ージ、３１−・・ウェハステージ、３６・・・偏光子、
３７・・・ナイフェツジミラー　３８・・・第１の光検
出器、４０・・・第２の光検出器、５ｏ・・・位相計、
５１・・・信号強度検出器、５９−５１．５４−　Ｆｌ
！’１・・・駆動回鯰へ第 図 １１ゼーマンレーザ 第 図 △Ｘ 第２の回′に格子 第 ３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いにわずかに周波数が異なり、かつ偏光方向が異なる
   ２波長の光を出射するコヒーレント光源と、このコヒー
   レント光源から出射した光を回折する第１の回折格子が
   形成された基準格子と、この基準格子からの回折光を選
   択的に透過させる照明光学系と、上記基準格子からの回
   折光の光路中に設けられた少なくとも１つの１／２波長
   板と、フォトマスクとウェハの相対位置と間隔を制御す
   るための駆動機構と、上記フォトマスクおよびウェハに
   それぞれ設けられ、上記照明光学系により照明される第
   ２および第３の回折格子と、これら第２および第３の回
   折格子からの回折光をそれぞれ取り出し、光ビート信号
   を検出する第１および第２の検出手段と、上記フォトマ
   スクとウェハの相対位置を制御するため、上記第１およ
   び第２の検出手段から得られる光ビート信号の位相比較
   を行う位相比較手段と、上記フォトマスクとウェハの間
   隔を制御するため、上記第１および第２の検出手段から
   得られる光ビート信号の強度を検出する信号強度測定手
   段とを備えた位置合わせ装置。