JPH04303915A - 位置合わせ装置、露光装置、及びそれらを用いた半導体素子の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子製造用に好適
な位置合わせ装置、露光装置、及びそれらを用いた半導
体素子の製造方法に関し、特にウエハと共役関係にある
レチクルと同期をとった受信手段との相対的位置合わせ
をウエハ面上に設けた異なった線幅をもつ複数のアライ
メントマークからの信号を時間的又は空間的に複数回計
測すると共に、該アライメントマークの３次元構造に基
づく計測誤差を捉えることにより高精度に行うことので
きる位置合わせ装置、露光装置、及びそれらを用いた半
導体素子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の回路パターンの微細
化の要求に伴い、半導体素子製造用の露光装置において
はレチクルとウエハとの高精度な相対的位置合わせが要
求されている。

【０００３】従来の露光装置における位置合わせ方法の
うちウエハ面上の格子マークからの回折光を利用したも
のが種々と提案されている。

【０００４】例えばヘテロダイン光学系を利用した方法
（応用物理学会１９８９年秋、予稿集５０秋２９ａ−Ｌ
−２（馬込等））や画像情報を利用した方法（特開平２
−２０６７０６号公報）等がある。後者の特開平２−２
０６７０６号公報で提案している画像情報を利用した位
置合わせ方法では、位置合わせ用（アライメント用）の
ウエハマークをウエハ面上に溝又は段差を形成して構成
している。そして、その面上に露光を行なう為の透明な
薄膜の感光材（レジスト）をウエハマークを含めたウエ
ハ全面に塗布している。

【０００５】図１７は特開平２−２０６７０６号公報で
提案している位置合わせ装置の要部概略図である。

【０００６】同図においては従来の露光装置と同様に照
明装置ＩＬからの露光光により照明されたレチクルＲ面
上の電子回路パターンを投影レンズ１によりウエハステ
ージＳＴ上に載置したウエハＷ面上に縮少投影し、露光
転写している。

【０００７】そしてこのときの位置合わせは直線偏光の
Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長λ）２から放射される露光光
とは異った波長の光束を音響光学素子（ＡＯ素子）２６
に入射させ、このＡＯ素子２６によりミラー２１へ向う
光の光量を制御し、例えばある状態で完全に光を遮断す
る。そして２軸に回転制御可能なミラー２１で反射させ
Ｆ−θレンズ２２に入射させている。そして偏光ビーム
スプリッター５で反射させ、λ／４板６、レンズ７、ミ
ラー８そして投影レンズ１によりウエハＷ面上のウエハ
マークＧＷ´をインコヒーレントな光束で照明している
。

【０００８】図１８（Ａ），（Ｂ）は図１７のウエハマ
ークＧＷ´の平面図と断面概略図である。図中ＲＥＳは
レジスト、ＷＥＦはウエハ基板を示している。ＬＷはウ
エハマークの格子ピッチである。

【０００９】このときの照明光は投影レンズ１、レンズ
２２、７で構成される光学系の瞳面に、例えば図１９（
Ａ）に示すようなインコヒーレントな有効光源をＡＯ素
子２６による光量制御及びミラー２１を回転制御して実
効的に形成している。

【００１０】ここで図１９（Ａ）のＸ２，Ｙ２は瞳面上
での座標であり、照明光のウエハＷ面に対する入射光の
分布を表わしている。その照明分布は、ウエハマークＧ
Ｗ´を回折格子として見立てたときの０次光に相当する
範囲であり、その範囲のみを照明するように、回転ミラ
ー２１とＡＯ素子を制御している。斜線部が照明範囲を
示す。点線がいわゆる０次光１９０、１次光１９１、２
次光１９２、３次光１９３を示している。図１９（Ｃ）
がウエハＷを回折格子としたときの回折光の分布である
。

【００１１】ウエハＷ面上のウエハマークＧＷ´からの
光束は投影レンズ１を通過した後、順次ミラー８、レン
ズ７、λ／４板６、偏光ビームスプリッター５、レンズ
９そしてビームスプリッター１０を介し位置Ａにウエハ
マークＧＷ´の空中像を形成している。

【００１２】その空中像は更にフーリエ変換レンズ２３
を介しストッパー３２によってウエーハマークＧＷ´か
らの反射光のうちウエーハ上での角度が±ｓｉｎ−１（
λ／ＬＷ）に相当する光束だけを透過させ、フーリエ変
換レンズ２４を介し固体撮像素子１１にウエーハマーク
ＧＷ´の像を結像している。図１９（Ｂ）で斜線部がス
トッパー３２の透過部分となっている。即ち、ウエハＷ
に対して図６のように０次光を入射して±１次光を取り
込むようにしている。

【００１３】一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２からの波長と異
なる波長を放射するＬＥＤ等の光源１２からの光束をコ
ンデンサーレンズ１３により集光し、基準マスク１４面
上に形成されている基準マークＧＳ´を照明している。 そして基準マークＧＳ´からの光束を反射し、ＬＥＤ１
２からの光束を反射し、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２からの光束
を透過させるように構成したビームスプリッタ１０を介
し、Ａ面上に基準マークＧＳ´の空中像を形成している
。その後、Ａ面上の空中像はウエハマークＧＷ´の像と
同様にＣＣＤ１１面上に結像している。

【００１４】基準マークＧＳ´は図２０（Ａ）に示すよ
うにＣＣＤ１１面上でウエハマークＧＷ´のピッチＬＷ
と同一ピッチとなるように設定されたピッチＬＳ´の格
子パターンより成っている。図２０（Ａ）において斜線
部が透明領域でその他が不透明領域となっている。

【００１５】次に図１７に示す位置合わせ方法を図２１
のフローチャート図により説明する。

【００１６】まずＳＴＥＰ０で初期状態として、レチク
ルＲと位置合わせ装置（例えばＣＣＤ１１）の位置関係
は既に位置合わせを行なっており、レチクルＲ上の座標
原点と基準マークＧＳ´の中心とは対応が既に付いてい
る。ウエハＷは数ミクロンメータのオーダの精度でＨｅ
−Ｎｅレーザ２からのレーザ光を照射したとき、ウエハ
マークＧＷ´が撮像装置１１に撮像されるように、ウエ
ハステージＳＴを駆動して位置合わせ装置内の所定の位
置に既に存在している。

【００１７】ＳＴＥＰ１で、ＬＥＤ光源１２を照射させ
、基準マーク像ＧＳ´を撮像装置１１上に形成する。 形成された像は、図２０（Ｂ）のようになる。そこで撮
像装置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によって２
次元の配列に置き換えた後、処理窓ＥＳを設け、図中ｙ
方向に画素積算させ、１次元配列図２０（Ｃ）にし、画
面中心を原点としてＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行な
い、基本周波数に対応する画面中心からのずれ量を計測
し、位置合わせ装置に固定してある基準マークＧＳ´と
撮像装置１１との位置を決定する。

【００１８】ＳＴＥＰ２で、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２を照射
させ、上記の経路を経て、ウエハマーク像を撮像装置１
１上に形成する。形成された像は、図１８（Ｃ）のよう
になる。そこで撮像装置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装
置２７によって２次元の配列に置き換えた後、処理窓Ｅ
Ｓを設け、図１８（Ｃ）のｙ方向に画素積算させ、１次
元配列図１８（Ｄ）にし、画面中心を原点としてＦＦＴ
（高速フーリエ変換）を行ない、基本周波数に対応する
画面中心からのずれ量を計測し、ウエハマークＧＷ´と
撮像装置１１との位置を決定する。

【００１９】ＳＴＥＰ３において、位置合わせ装置とウ
エハＷとの位置ずれをレチクルＲとの座標に換算し、位
置合わせ制御装置２９によって露光時の所定の位置にウ
エハステージＳＴを駆動して位置合わせを終える。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ウエハ面上のアライメ
ントマーク（ウエハマーク）の像はその面上に塗布され
たレジストの塗布ムラやアライメントマークの３次元構
造の非対称性の影響を受けて歪んで観察されることが知
られている。これによりアライメントマークの位置検出
を行なう際に測定誤差、所謂ダマサレを起こし、位置合
わせ精度を低下させる原因となっている。

【００２１】特に半導体素子製造工程において金属化合
物をスパッタリング等を用いて蒸着した後のウエハ表面
にレジストを塗布する工程においてはアライメントマー
ク近傍のレジストの塗布ムラによる起伏形状からくるダ
マサレが深刻な問題点となっている。

【００２２】一方、前記の金属化合物を蒸着する工程に
おけるレジスト層によるダマサレの原因は金属化合物の
高反射率の為、薄膜干渉の屈折率の波長依存性から生じ
るものは少なく、レジストの塗布ムラによる幾何光学的
現象によるものの影響の方が大きい。

【００２３】図２２（Ａ），（Ｂ）はこのときの現象を
示す光路図である。図２２（Ａ）はウエハの位置合わせ
用のアライメントマーク近傍の断面図である。

【００２４】図中ＷＥＦはウエハ、ＲＥＳはレジスト、
ＡＩＲは空気層である。ＲＡＹ１，ＲＡＹ２は観察光の
うちの一光線の光路を示している。ＡＬＭはアライメン
トマークの溝部である。レジスト表面ＲＥＳａの局所的
変化（起伏形状）によって光線ＲＡＹ１，ＲＡＹ２の屈
折方向が大きく変化している。

【００２５】ウエハ表面ＷＥＦａの反射率が大きいとき
においてはレジスト表面ＲＥＳａでの反射光とウエハ表
面ＷＥＦａでの反射光との干渉効果は幾何光学的効果に
比較して十分小さいと考えられる。

【００２６】図２２（Ｂ）は同図（Ａ）に対応する観察
光の光強度の分布説明図である。レジスト表面ＲＥＳａ
の局所的変化に伴ってアライメントマーク像が横ズレを
起して観察されている。このことは照明光の白色化、あ
るいは照明光の波長の適正化によっては取り除けない。

【００２７】一方、ウエハマークの形状とレジスト表面
の起伏との間には一定の関係があることが知られている
。Ｌ．Ｅ．ＳｔｉｌｌｗａｇｏｎとＲ．Ｇ．Ｌａｒｓｏ
ｎ等によればウエハマークの線幅が広い程、レジスト表
面の平坦度が悪くなり、逆に線幅が狭い程レジスト表面
の平坦度が良くなってくると言われている。（ＳＰＩＥ
，Ｖｏｌ，９２０，Ｐ３１２　〜３２０，１９８８）。

【００２８】尚、ここでレジスト表面の平坦度Ｐとは次
式によって定義されている。

【００２９】今、ウエハマークの中心にレジスト厚をＷ
Ｄ１、ウエハマークから遠く離れた位置でのレジスト厚
をＷＤ２、ウエハマークの段差厚をＷＤ３としたとき

【
００３０】

【数１】 である。

【００３１】これよりウエハマークの線幅がゼロになる
極限でレジスト表面の平坦度Ｐは最大となることがわか
る。

【００３２】このように線幅が狭くなれば狭くなる程、
レジスト表面の平坦度は高くなり、ウエハマーク近傍に
おける局所的起伏は小さくなる。即ちダマサレ量の少な
い位置合わせ信号が得られる。

【００３３】図２３はウエハマークの線幅に対応する観
察光の光強度の分布説明図である。同図（Ａ）に示すよ
うに線幅が広いとレジスト表面ＲＥＳａに平坦度は悪化
し、同図（Ｂ）に示すように中心位置ｘ０　に対するダ
マサレ量Δｘ１　が大きい。

【００３４】これに対して同図（Ｃ）に示すように線幅
が狭くなるとレジスト表面ＲＥＳａの平坦度は良くなり
、同図（Ｄ）に示すように中心位置ｘ０　に対するダマ
サレ量Δｘ２　は同図（Ｂ）に比べて小さくなる。

【００３５】一般にアライメントマークの線幅の下限値
は露光装置の解像度によって決定され位置合わせにおい
て必要とされる位置合わせ精度を満たすような線幅、即
ちレジスト表面の局所的起伏を無視し得るような狭い線
幅のウエハマークは実現できないという問題点があった
。

【００３６】本発明はウエハ面上のアライメントマーク
近傍におけるレジスト表面の起伏形状に基づく位置合わ
せの際の中心位置のダマサレ量を線幅の異なる複数のア
ライメントマークを用い、それより同時又は時間的に隔
てて得られる信号を用いることにより補正し、ウエハと
撮像手段との位置合わせを高精度に行なうことができる
位置合わせ装置、露光装置及びそれらを用いた半導体素
子の製造方法の提供を目的とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明の位置合わせ装置
は、レチクルと同期のとれた受信手段とウエハとを光学
系を介して配置し、双方の相対的位置合わせを行う位置
合わせ装置において、該ウエハ面上には線幅の異なる複
数のアライメントマークが形成され、更にその面上には
レジストが塗布されており、該アライメントマークの線
幅とレジスト表面の起伏形状に起因する該受信手段への
光束の入射位置の変化による位置計測のずれ量との関係
式を記録した記録手段が設けられており、照明系で照明
された該複数のアライメントマークを該光学系により、
該受信手段面上に同時又は時間的に隔てて導光させ、該
受信手段によって該複数のアライメントマークの位置情
報を同時又は時間的に隔てて抽出し、該位置情報と該記
録手段に記録された関係式とを用いて、該レジスト表面
の起伏に起因する位置ずれ誤差を求め、該位置ずれ誤差
を参照して該ウエハと該受信手段との相対的位置合わせ
を行ったことを特徴としている。

【００３８】この他本発明では、前記複数のアライメン
トマークは回折格子より成り、位置合わせ方向と同一又
は直交する方向に配置されていることや、前記同一線幅
のアライメントマークが位置合わせ方向に複数個同一ピ
ッチで配列していることを特徴としている。

【００３９】又本発明の露光装置としては、レジストが
塗布されたウエハ上のレリーフ状マークの位置を光学的
に検出し、該位置検出に基づいて該ウエハ上のパターン
をマスクの回路パターンに対して位置合わせし、該回路
パターンを介して該ウエハ上のパターンを被うレジスト
を露光する露光装置において、前記レリーフ状マークは
互いに異なる線幅ｗ１　，ｗ２　を有する第１，第２位
置合わせパターンを備え、該第１，第２位置合わせパタ
ーンの各々の位置を同時又は時間的に隔てて光学的に検
出し、第１，第２位置データｘ１　，ｘ２　を発生せし
める手段と、該第１位置合わせパターンの線幅及び位置
データ（ｗ１　，ｘ１　）と、該第２位置合わせパター
ンの線幅及び位置データ（ｗ２　，ｘ２　）とに基づい
て線幅ｗの関数ｘ（ｗ）を求め、該関数ｘ（ｗ）により
線幅ｗ＝０のときの位置データｘ０　を決定する手段と
を有し、該位置データｘ０　に基づいて前記位置合わせ
を行うことを特徴としている。

【００４０】又前述した位置合わせ装置、露光装置を利
用した半導体素子の製造方法としては、レジストが塗布
されたウエハ上のレリーフ状マークの位置を光学的に検
出し、該位置検出に基づいて、該ウエハ上のパターンを
マスクの回路パターンに対して位置合わせし、該回路パ
ターンを介して該ウエハ上のパターンを被うレジストを
露光し、次いで該ウエハ上のレジストを現像し、該ウエ
ハから半導体素子を製造する際、前記レリーフ状マーク
を複数個の線状パターンで構成し、該複数個の線状パタ
ーンの互いに異なる線幅ｗ１　，ｗ２　を有する第１，
第２位置合わせパターンの各々の位置を同時又は時間的
に隔てて光学的に検出し、該位置検出に基づいて該第１
位置合わせパターンに対応する第１位置データｘ１　と
該第２位置合わせパターンに対応する第２位置データｘ
２　を形成し、該第１位置合わせパターンの線幅及び位
置データ（ｗ１　，ｘ１　）と該第２位置合わせパター
ンの線幅及び位置データ（ｗ２　，ｘ２　）とに基づい
て線幅ｗの関数ｘ（ｗ）を求め、該関数ｘ（ｗ）により
線幅ｗ＝０のときの位置データｘ０　を決定し、該位置
データｘ０　に基づいて前記位置合わせを行なうことを
特徴としている。

【００４１】

【実施例】図１は本発明の実施例１の光学系の要部概略
図である。

【００４２】同図においては従来の露光装置と同様に照
明装置ＩＬからの露光光により照明されたレチクルＲ面
上の電子回路パターンを投影レンズ１によりウエハステ
ージＳＴ上に載置したウエハＷ面上に縮少投影し、露光
転写している。

【００４３】そしてこのときの位置合わせは直線偏光の
Ｈｅ−Ｎｅレーザー２から放射される露光光とは異った
波長λの光束を音響光学素子（ＡＯ素子）２６に入射さ
せ、このＡＯ素子２６によりミラー２１へ向う光の光量
を制御し、例えばある状態で完全に光を遮断する。そし
て２軸に回転制御可能なミラー２１で反射させＦ−θレ
ンズ２２に入射させている。

【００４４】その後、ウエハＷと光学的に共役な面上に
配置した視野絞りＳＩＬにより空間的に照明範囲を制限
した後に偏光ビームスプリッター５に入射させている。 そして偏光ビームスプリッター５で反射させ、λ／４板
６、レンズ７、ミラー８そして投影レンズ１によりウエ
ハＷ面上のウエハマークＧＷをインコヒーレントな光束
で照明している。

【００４５】図２は図１のウエハマークＧＷの説明図で
ある。図２（Ａ）に示すようにウエハマークＧＷはレリ
ーフ状の回折格子より成る線幅ＤとピッチＬＷの異なる
複数のアライメントマークＷａ（Ｗａ１〜Ｗａ３）より
成っている。そして図２（Ｂ）に示すようにウエハマー
クＧＷの各アライメントマークＷａ（Ｗａ１〜Ｗａ３）
はスクライブラインＳＬ上の異なる領域に配置している
。ＳＥＭＰは半導体プロセスのパターン領域である。

【００４６】即ち、ウエハマークＧＷはレリーフ状（３
次元形状）の回折格子より成る線幅の異なる３つのアラ
イメントマークＷａ１，Ｗａ２，Ｗａ３より成っている
。（同図では３つのアライメントマークＷａ１〜Ｗａ３
を示しているが、この数はいくつあっても良い。）アラ
イメントマークＷａ１の線幅はＤ１、ピッチはＬＷ１で
あり、位置合わせ方向（Ｘ方向）に複数個、等間隔に配
列されている。アライメントマークＷａ２の線幅はＤ２
、ピッチはＬＷ２であり、アライメントマークＷａ３の
線幅はＤ３、ピッチはＬＷ３であり、各々アライメント
マークＷａ１と同様に位置合わせ方向に複数個、等間隔
に配列されている。（尚、本実施例ではアライメントマ
ークとして回折格子パターンではなく単一の孤立パター
ン（図１２）を用いても良い。）このときの照明光は投
影レンズ１、レンズ２２、７で構成される光学系の瞳面
に、例えば図３（Ａ）に示すようなインコヒーレントな
有効光源をＡＯ素子２６による光量制御及びミラー２１
を回転制御して実効的に形成している。このことは本実
施例では行なわないが±１次光入射、±１次光取りとい
う場合に有効となる。

【００４７】ここで図３（Ａ）のＸ２，Ｙ２は瞳面の座
標であり、照明光のウエハ面に対する入射角の分布を表
わしている。

【００４８】このときの瞳面上の照度分布はウエハマー
クＧＷを回折格子として見立てたときの０次光に相当す
る範囲であり、その範囲のみを照明するように回転ミラ
ー２１とＡＯ素子２６を制御している。図３（Ａ）にお
いて斜線部が照明範囲を示している。又点線で囲む範囲
３０，３１，３２，３３が各々所謂ピッチＬＷ１の０，
１，２，３次回折光を示している。

【００４９】図３（Ｃ）はウエハマークＧＷを回折格子
としたときの回折光の分布を示している。

【００５０】図４はウエハＷ面上の照明範囲の説明図で
ある。同図に示すようにアライメントマークＷａ１，Ｗ
ａ２，Ｗａ３の格子パターン内の一部分ＲＩＬのみを照
明するように視野絞りＳＩＬを配置している。

【００５１】ウエハＷ面上のウエハマークＧＷのうちア
ライメントマークＷａ１からの光束は投影レンズ１を通
過した後、順次ミラー８、レンズ７、λ／４板６、偏光
ビームスプリッター５、レンズ９そしてビームスプリッ
ター１０を介し位置ＡにアライメントマークＷａ１の空
中像を形成している。他のアライメントマークＷａ２，
Ｗａ３についても同様である。

【００５２】その空中像は更にフーリエ変換レンズ２３
を介し３種類のストッパー２５ａ，２５ｂ，２５ｃを有
するストッパー２５によってウエーハマークＧＷ（アラ
イメントマークＷａ１，Ｗａ２，Ｗａ３）からの反射光
のうちウエーハ上での角度が各々 ｓｉｎ−１（λ／ＬＷｉ）　　ｉ＝１，２，３に相当す
る光束だけを透過させ、フーリエ変換レンズ２４を介し
受信手段としての固体撮像素子１１にウエーハマークＧ
Ｗの像を結像している。

【００５３】即ち、図５はストッパー２５の説明図であ
り、図中斜線部が透過範囲となっている。これはウエハ
マークＧＷに対して図６に示すように各々の０次光を入
射して各々の±１次回折光を取り込むようになっている
。

【００５４】本実施例のストッパー２５はその透過範囲
（図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の斜線部）がアライメン
トマーク（Ｗａ１〜Ｗａ３）の種類によって各々対応す
る透過範囲が光軸上に位置するようにストッパー制御装
置３０によって駆動制御されている。

【００５５】本実施例ではストッパー２５として図５（
Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の３枚のストッパー２５ａ，２５
ｂ，２５ｃを設け、各々アライメントマークＷａ１，Ｗ
ａ２，Ｗａ３に対して用いている。

【００５６】尚、本実施例において１枚のストッパーに
３種類の透過範囲を設け、各アライメントマーク毎に各
々対応する透過範囲を用いるようにしても良い。

【００５７】一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２からの波長と異
なる波長を放射するＬＥＤ等の光源１２からの光束をコ
ンデンサーレンズ１３により集光し、基準マスク１４面
上に形成されている基準マークＧＳを照明している。

【００５８】基準マークＧＳは図７（Ａ）に示すような
パターンより成っている。そして基準マークＧＳからの
光束を反射し、ＬＥＤからの光束を反射し、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ２からの光束を透過させるように構成したビーム
スプリッタ１０を介し、Ａ面上に基準マークＧＳの空中
像を形成している。その後、Ａ面上の空中像はウエハマ
ークＧＷの像と同様にＣＣＤ１１面上に結像している。

【００５９】基準マークＧＳは図７（Ａ）に示すように
ＣＣＤ１１面上でウエハマークＧＷのアラメントマーク
Ｗａ３のピッチＬＷ３と同一ピッチとなるように設定さ
れたピッチＬＳの回折格子より成っている。尚、図７（
Ａ）で斜線部が透明領域で、その他は不透明領域となっ
ている。

【００６０】次に本実施例における位置合わせ方法につ
いて図８のフローチャート図を用いて説明する。

【００６１】ＳＴＥＰ０で初期状態として、レチクルＲ
と位置合わせ装置の位置（例えばＣＣＤ１１）は既に位
置合わせを行なっており（同期がとれており）、レチク
ルＲ上の座標原点と基準マークＧＳの中心とは対応が既
に付いている。ウエハＷは数ミクロンメータのオーダの
精度でＨｅ−Ｎｅレーザ２を照射したとき、ウエハマー
クＧＷのうちアライメントマークＷａ１が撮像装置（Ｃ
ＣＤ）１１に撮像されるように、ウエハステージＳＴを
駆動して、位置合わせ装置内の所定の位置に既に存在し
ている。このときストッパー２５は図５（Ａ）のものを
光軸上に配置している。

【００６２】ＳＴＥＰ１で、ＬＥＤ光源１２を照射させ
、基準マークＧＳの像を撮像装置１１上に形成する。 形成された像は、図７（Ｂ）のようになっている。そこ
で撮像装置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によっ
て２次元の配列に置き換えた後、画像処理装置２８によ
り処理窓ＥＳを設け、図７（Ｂ）のｙ方向に画素積算さ
せ、１次元配列図７（Ｃ）にし、画面中心を原点として
ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行ない、基本周波数に対
応する画面中心からのずれ量ΔＳを計測し、位置合わせ
装置に固定してある基準マークＧＳと撮像装置１１との
位置関係を決定する。これによりＬＥＤ１２の照明を終
える。

【００６３】ＳＴＥＰ２で、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２を照射
させ、上記の経路を経て、ウエハマークＧＷのうちのア
ライメントマークＷａ１の像を撮像装置１１上に形成す
る。形成された像は、図９（Ａ）のようになる。そこで
撮像装置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によって
２次元の配列に置き換えた後、画像処理装置２８により
処理窓ＥＷ１を設け、図９のｙ方向に画素積算させ、１
次元配列にし、画面中心を原点としてＦＦＴ（高速フー
リエ変換）を行ない、基本周波数に対応する画面中心か
らのそれぞれのずれ量Δ１を計測し記憶する。

【００６４】ＳＴＥＰ３で、ウエハステージＳＴを、所
定の距離（アライメントマークＷａ１，Ｗａ２の設計上
の相対位置差分）駆動し、ストッパー制御装置３０によ
ってストッパー２５を図５（Ｂ）のストッパー２５ｂの
透光部が光軸上に位置するように変更する。Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ２からの光を照射させ、上記の経路を経てアライ
メントマークＷａ２の像を撮像装置１１上に形成する。 形成された像は図９（Ｂ）のようになる。そこで撮像装
置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によって２次元
の配列に置き換えた後、画像処理装置２８により処理窓
ＥＷ２を設け、図９のｙ方向に画素積算させ、１次元配
列にし、画面中心を原点としてＦＦＴ（高速フーリエ変
換）を行ない、基本周波数に対応する画面中心からのそ
れぞれのずれ量Δ２を計測し記憶する。

【００６５】ＳＴＥＰ４で、ウエハステージＳＴを、所
定の距離（アライメントマークＷａ２，Ｗａ３の設計上
の相対位置差分）駆動し、ストッパー制御装置３０によ
ってストッパー２５を図５（Ｃ）のストッパー２５ｃの
透光部が光軸上に位置するように変更する。Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ２からの光を照射させ、上記の経路を経てアライ
メントマークＷａ３の像を撮像装置１１上に形成する。 形成された像は図９（Ｃ）のようになる。そこで撮像装
置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によって２次元
の配列に置き換えた後、画像処理装置２８により処理窓
ＥＷ３を設け、図９のｙ方向に画素積算させ、１次元配
列にし、画面中心を原点としてＦＦＴ（高速フーリエ変
換）を行ない、基本周波数に対応する画面中心からのそ
れぞれのずれ量Δ３を計測し記憶する。

【００６６】ＳＴＥＰ５で各々のずれ量Δ１，Δ２，Δ
３からレジスト塗布むらによるシフト量を算出する。

【００６７】各々のずれ量Δ１，Δ２，Δ３と線幅との
関係を図１０に示す。図１０においてＸ印は計測値であ
る。各々の計測値とウエハマークＧＷとレジスト塗布む
らによる計測値のずれ量と線幅との関係式（本実施例で
は１次近似として、１次直線をその関係式としている）
とによって、アライメントマークＷａの線幅ゼロの状態
での真の位置ずれ量Δ０を最小自乗法から求める。即ち
ウエハマークＧＷの真の位置の撮像装置１１との位置を
決定する。

【００６８】ＳＴＥＰ６において、位置合わせ装置とウ
エハＷとの真の位置ずれをレチクルＲとの座標に換算し
、位置合わせ制御装置２９によって露光時の所定の位置
にウエハステージＳＴを駆動して位置合わせを終える。

【００６９】本実施例においては線幅の異なるアライメ
ントマークＷａ１〜Ｗａ３を用いて時間を隔てて異なる
時間で計測したが、例えばアライメントマークを２つの
群に分け、アライメントマークＷａ１，Ｗａ２を同時に
、アライメントマークＷａ３を別の時間に計測すること
ができるように各アライメントマークを配置しても良い
。

【００７０】又、本実施例においてアライメントマーク
はピッチＬＷと線幅Ｄが同時に異なるものを用いたが、
図２４に示すようにピッチＬＷを同一のピッチＬＷ１と
し、線幅Ｄのみを変更したアライメントマークＷｂ１，
Ｗｂ２，Ｗｂ３を用いても良い。

【００７１】この場合、回折格子としてのピッチＬＷは
同一である為、図１に示すストッパー制御装置３０は不
要となり、又ストッパー２５としては図５（Ａ）に示す
１つのストッパー２５ａを用いれば良い。このとき各ア
ライメントマークＷｂ１，Ｗｂ２，Ｗｂ３におけるずれ
量Δの計測値と真値との関係は例えば図２５に示すよう
に２次関数のようになる。従って本実施例では計測値列
Δ１ｂ，Δ２ｂ，Δ３ｂに対して最小２乗法で２次近似
して線幅Ｄ零の極限を真の位置ずれ量としている。

【００７２】又、線幅を同一にして図２６（Ａ），（Ｃ
）に示すようにピッチＬＷを変更した場合、その断面形
状（図２６（Ｂ），（Ｃ））は実効的に線幅が変化した
のと同様となってくる。この為、前述したのと同様の効
果を得ることができる。

【００７３】図１１は本発明の実施例２の光学系の要部
概略図である。

【００７４】同図において従来の露光装置と同様に照明
装置ＩＬからの露光光により照明されたレチクルＲ面上
の電子回路パターンを投影レンズ１によりウエハステー
ジＳＴ上に載置したウエハＷ面上に縮小投影し、露光転
写している。

【００７５】そしてこのときの位置合わせは直線偏光の
Ｈｅ−Ｎｅレーザー２から放射される、露光光とは異っ
た波長（λ）の光束を音響光学素子（ＡＯ素子）２６に
入射させ、このＡＯ素子２６によりミラー２１へ向う光
の光量を制御し、例えばある状態では完全に光を遮断す
る。そして２軸に回転制御可能なミラー２１で反射させ
Ｆ−θレンズ２２に入射させている。

【００７６】その後にウエハＷと光学的に共役な面上に
ストッパーＳＩＬをおき、そこで空間的に照明範囲を制
限した後に偏光ビームスプリッター５に光を入射させて
いる。そして偏光ビームスプリッター５で反射させ、λ
／４板６、レンズ７、ミラー８そして投影レンズ１によ
りウエハＷ面上のウエハマークＭＷのアライメントマー
クＭＷ１をインコヒーレントな光束で照明している。

【００７７】図１２は図１１のウエハマークＭＷの説明
図である。同図に示すようにウエハマークＭＷは線幅Ｄ
の異なる３つのアライメントマークＭＷ１，ＭＷ２，Ｍ
Ｗ３より成っている。又、３つのアライメントマークＭ
Ｗ１，ＭＷ２，ＭＷ３は各々の線幅がＤ１，Ｄ２，Ｄ３
の孤立パターンより成り、各々スクライブラインＳＬ上
に配置している。

【００７８】このときの照明光は投影レンズ１、レンズ
２２，７で構成される光学系の瞳面に、例えば円形とな
るようにインコヒーレントな有効光源をＡＯ素子２６に
よる光量制御及びミラー２１を回転制御して実効的に形
成している。そしてその範囲のみを照明するように、回
転ミラー２１とＡＯ素子を制御している。

【００７９】ウエハＷ面上のウエハマークＭＷからの光
束は順次投影レンズ１、ミラー８、レンズ７、λ／４板
６、偏光ビームスプリッター５、レンズ９そして偏光ビ
ームスプリッター１０を介し撮像レンズ３１によって撮
像装置面１１面上にウエハマークＭＷの像を形成してい
る。

【００８０】一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２からの光とは波
長の異なる波長を放射するＬＥＤ光源１２からの光束を
コンデンサーレンズ１３により集光し、基準マスク１４
面上に形成されている基準マークＭＳを照明している。 基準マークＭＳは図１３（Ａ）に示すようなパターンよ
り成っている。

【００８１】同図において斜線部は光透過部である。そ
して基準マークＭＳからの光束を反射し、ＬＥＤ１２か
らの光束を反射し、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２からの光束を透
過させるように構成したビームスプリッター１０を介し
、撮像レンズ３１によって撮像装置１１面上に基準マー
クＭＳの像を形成している。

【００８２】次に本実施例における位置合わせ方法につ
いて図１４のフローチャート図を用いて説明する。

【００８３】ＳＴＥＰ０、初期状態として、レチクルＲ
と位置合わせ装置の位置（例えば撮像装置１１）は既に
位置合わせを行なっており、レチクルＲ上の座標原点と
基準マークＭＳ中心とは対応が既に付いている。ウエハ
Ｗは数ミクロンメータのオーダの精度でＨｅ−Ｎｅレー
ザ２を照射したとき、ウエハマークＭＷのうちのアライ
メントマークＭＷ１が撮像装置１１に撮像されるように
、ウエハステージＳＴを駆動して、位置合わせ装置内の
所定の位置に既に存在している。

【００８４】ＳＴＥＰ１で、ＬＥＤ光源１２を照射させ
、基準マークＭＳの像を撮像装置１１上に形成する。 形成された像は、図１３（Ｂ）のようになっている。そ
こで撮像装置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によ
って２次元の配列に置き換えた後、画像処理装置２８に
より処理窓ＥＳ２を設け、図１３（Ｂ）のｙ方向に画素
積算させ、１次元配列（図１３（Ｃ））にし、画面中心
を原点として１次元パターンマッチングを行ない、基準
マークＭＳ中心の画面中心からのずれ量ΔＳを計測し、
位置合わせ装置に固定してある基準マークＭＳと撮像装
置１１との位置関係を決定する。これによりＬＥＤ１２
の照明を終える。

【００８５】ＳＴＥＰ２で、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２を照射
させ、上記の経路を経て、ウエハマークＭＷのうちのア
ライメントマークＭＷ１像を撮像装置１１上に形成する
。形成された像は、図１５（Ａ）のようになる。そこで
撮像装置１１の電気信号をＡ／Ｄ変換装置２７によって
２次元の配列に置き換えた後、画像処理装置２８により
処理窓ＥＷ１ｃを設け、図１５のｙ方向に画素積算させ
、１次元配列図１５（Ｄ）にし、画面中心を原点として
１次元パターンマッチングを行ない、マーク中心の画面
中心からのずれ量Δ１ｃを計測し記憶する。

【００８６】ＳＴＥＰ３で、ウエハステージＳＴを、所
定の距離（アライメントマークＭＷ１とＭＷ２の設計上
の相対位置差分）駆動する。Ｈｅ−Ｎｅレーザ２を照射
させ、上記の経路を経てアライメントマークＭＷ２像を
撮像装置１１上に形成する。形成された像は図１５（Ｂ
）のようになる。そこで撮像装置１１の電気信号をＡ／
Ｄ変換装置２７によって２次元の配列に置き換えた後、
各画像処理装置２８により処理窓ＥＷ２ｃを設け、図１
５のｙ方向に画素積算させ、１次元配列図１５（Ｅ）に
し、画面中心を原点として１次元パターンマッチングを
行ないマーク中心の画面中心からのずれ量Δ２ｃを計測
し記憶する。

【００８７】ＳＴＥＰ４で、ウエハステージＳＴを、所
定の距離（アライメントマークＭＷ２とＭＷ３の設計上
の相対位置差分）駆動する。Ｈｅ−Ｎｅレーザ２を照射
させ、上記の経路を経てアライメントマークＭＷ３の像
を撮像装置１１上に形成する。形成された像は、図１５
（Ｃ）のようになる。そこで撮像装置１１の電気信号を
Ａ／Ｄ変換装置２７によって２次元の配列に置き換えた
後、画像処理装置２８により処理窓ＥＷ３ｃを設け、図
１５のｙ方向に画素積算させ、１次元配列図１５（Ｆ）
にし、画面中心を原点として１次元パターンマッチング
を行ない、マーク中心の画面中心からのずれ量Δ３ｃを
計測し記憶する。

【００８８】ＳＴＥＰ５で各々のずれ量Δ１ｃ，Δ２ｃ
，Δ３ｃからレジスト塗布むらによるシフト量を算出す
る。各々のずれ量と線幅との関係を図１６に示す。図１
６においてＸ印が計測値である。各々の計測値とウエハ
マークＭＷとレジスト塗布むらによる計測値のずれ量と
線幅との関係式（本実施例では１次近似として、１次直
線をその関係式としている）とによって、アライメント
マークの線幅ゼロの状態での真の位置ずれ量Δを最小自
乗法から求める。即ちウエハマークＭＷの真の位置の撮
像装置１１との位置を決定する。

【００８９】ＳＴＥＰ６において、位置合わせ装置とウ
エハＷとの位置ずれをレチクルＲとの座標に換算し、位
置合わせ制御装置２９によって露光時の所定の位置にウ
エハステージＳＴを駆動して位置合わせを終える。

【００９０】本実施例においては、線幅の異なるウエハ
マークＭＷを異なる時間に計測したが、例えばアライメ
ントマークを２群に分け、アライメントマークＭＷ１と
ＭＷ２を同時に、アライメントマークＭＷ３を別の時間
に計測できるように各アライメントマークを配置し、そ
れに合うように流れを変更しても良い。

【００９１】尚、本発明は次のような位置合わせ装置に
も適用することができる。 （イ）フレネルゾーンプレート型のウエハマークを使用
して、線幅の異なるアライメントマークのうちの照明範
囲を絞ることにより、複数のアライメントマークを実効
的に取り除いた場合と取り除かない場合とでの計測値の
差異より同様の方法によりアライメントマークの線幅が
零の極限を求めることにより真の位置情報を得る装置。 （ロ）レーザ光を照明側又はウエハを駆動させることに
より走査し、その結果より時間的に電気信号としてウエ
ハマーク像又はウエハからの光信号を計測する装置。 （ハ）実施例２において明視野の代わりに暗視野として
用いる装置。

【００９２】

【発明の効果】本発明によればウエハ面上に前述のよう
に線幅の異なる複数のアライメントマークを形成し、こ
れら各アライメントマークからの位置情報を同時又は時
間的に隔てて抽出し、各位置情報を利用することにより
、アライメントマークに起因するレジスト表面の起伏形
状に基づくダマサレ量を補正し、不要なノイズ光を除去
することができウエハと露光装置本体（受信手段）との
高精度な位置合わせができる位置合わせ装置を達成する
ことができる。

【００９３】又、本発明によれば先の光ヘテロダイン方
法においても、その具体的な方法に依存せず、複数の種
類の線幅マークによる計測により、線幅ゼロの位置が予
測でき、前述したのと同様の効果を有した位置合わせ装
置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の実施例１の光学系の要部概略図

【
図２】　　図１のウエハマークの説明図

【図３】　　図
１の瞳面上の光量分布の説明図

【図４】　　図１のウエ
ハ面上の照明範囲の説明図

【図５】　　図１のウエハマ
ークに対するストッパーの説明図

【図６】　　回折格子の回折光の説明図

【図７】　　図
１の基準マークの説明図

【図８】　　本発明の実施例１
のフローチャート図

【図９】　　図１のウエハマーク像
の説明図

【図１０】　　本発明の実施例２のウエハマー
クの中心位置検出の際のダマサレ量の補正方法の説明図

【図１１】　　本発明の実施例２の光学系の要部概略図

【図１２】　　図１１のウエハマークの説明図

【図１３
】　　図１１の基準マークの説明図

【図１４】　　本発
明の実施例２のフローチャート図

【図１５】　　図１１
のウエハマーク像の説明図

【図１６】　　本発明の実施
例２のウエハマークの中心位置検出の際のダマサレ量の
補正方法の説明図

【図１７】　　従来の位置合わせ装置
の光学系の概略図

【図１８】　　図１７のウエハマーク
の説明図

【図１９】　　図１７の瞳面上の光量分布の説
明図

【図２０】　　図１７の基準マークの説明図

【図２
１】　　図１７の位置合わせ方法のフローチャート図

【図２２】　　レジストを塗布したウエハの断面概略図

【図２３】　　ウエハマークとレジスト表面の起伏に伴
なう中心位置のダマサレ量を示す説明図

【図２４】　　本発明に係る他のウエハマークの説明図

【図２５】　　図２４のウエハマークを用いたときの中
心位置検出の際のダマサレ量の補正方法の説明図

【図２
６】　　本発明に係る他のウエハマークの説明図。

【符号の説明】

Ｒ　　　　レチクル Ｗ　　　　ウエハ ＧＷ，ＭＷ　　ウエハマーク ＧＳ，ＭＳ　　基準マーク １　　　　投影レンズ ＩＬ　　照明系 ２　　　　Ｈｅ−Ｎｅレーザ ５，１０　　偏光ビームスプリッター ６　　　　λ／４板 ７，９　　レンズ ８　　　　ミラー １１　　受信手段（ＣＣＤ） １２　　ＬＥＤ Ｍａ　　アライメントマーク Ｍａ１〜Ｍａ３，ＭＷ１〜ＭＷ３　　アライメントマー
ク２５　　ストッパー ３０　　ストッパー制御装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レチクルと同期のとれた受信手段とウ
   エハとを光学系を介して配置し、双方の相対的位置合わ
   せを行う位置合わせ装置において、該ウエハ面上には線
   幅の異なる複数のアライメントマークが形成され、更に
   その面上にはレジストが塗布されており、該アライメン
   トマークの線幅とレジスト表面の起伏形状に起因する該
   受信手段への光束の入射位置の変化による位置計測のず
   れ量との関係式を記録した記録手段が設けられており、
   照明系で照明された該複数のアライメントマークを該光
   学系により、該受信手段面上に同時又は時間的に隔てて
   導光させ、該受信手段によって該複数のアライメントマ
   ークの位置情報を同時又は時間的に隔てて抽出し、該位
   置情報と該記録手段に記録された関係式とを用いて、該
   レジスト表面の起伏に起因する位置ずれ誤差を求め、該
   位置ずれ誤差を参照して該ウエハと該受信手段との相対
   的位置合わせを行ったことを特徴とする位置合わせ装置
   。
2. 【請求項２】　　前記複数のアライメントマークは回折
   格子より成り、位置合わせ方向と同一又は直交する方向
   に配置されていることを特徴とする請求項１記載の位置
   合わせ装置。
3. 【請求項３】　　前記複数のアライメントマークのうち
   １つのアライメントマークは同一線幅のマークを位置合
   わせ方向に複数個同一ピッチで配列されていることを特
   徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。
4. 【請求項４】　　レジストが塗布されたウエハ上のレリ
   ーフ状マークの位置を光学的に検出し、該位置検出に基
   づいて該ウエハ上のパターンをマスクの回路パターンに
   対して位置合わせし、該回路パターンを介して該ウエハ
   上のパターンを被うレジストを露光する露光装置におい
   て、前記レリーフ状マークは互いに異なる線幅ｗ１　，
   ｗ２　を有する第１，第２位置合わせパターンを備え、
   該第１，第２位置合わせパターンの各々の位置を同時又
   は時間的に隔てて光学的に検出し、第１，第２位置デー
   タｘ１　，ｘ２　を発生せしめる手段と、該第１位置合
   わせパターンの線幅及び位置データ（ｗ１　，ｘ１　）
   と、該第２位置合わせパターンの線幅及び位置データ（
   ｗ２　，ｘ２　）とに基づいて線幅ｗの関数ｘ（ｗ）を
   求め、該関数ｘ（ｗ）により線幅ｗ＝０のときの位置デ
   ータｘ０　を決定する手段とを有し、該位置データｘ０
   　に基づいて前記位置合わせを行うことを特徴とする露
   光装置。
5. 【請求項５】　　レジストが塗布されたウエハ上のレリ
   ーフ状マークの位置を光学的に検出し、該位置検出に基
   づいて、該ウエハ上のパターンをマスクの回路パターン
   に対して位置合わせし、該回路パターンを介して該ウエ
   ハ上のパターンを被うレジストを露光し、次いで該ウエ
   ハ上のレジストを現像し、該ウエハから半導体素子を製
   造する際、前記レリーフ状マークを複数個の線状パター
   ンで構成し、該複数個の線状パターンの互いに異なる線
   幅ｗ１　，ｗ２　を有する第１，第２位置合わせパター
   ンの各々の位置を同時又は時間的に隔てて光学的に検出
   し、該位置検出に基づいて該第１位置合わせパターンに
   対応する第１位置データｘ１　と該第２位置合わせパタ
   ーンに対応する第２位置データｘ２　を形成し、該第１
   位置合わせパターンの線幅及び位置データ（ｗ１　，ｘ
   １　）と該第２位置合わせパターンの線幅及び位置デー
   タ（ｗ２　，ｘ２　）とに基づいて線幅ｗの関数ｘ（ｗ
   ）を求め、該関数ｘ（ｗ）により線幅ｗ＝０のときの位
   置データｘ０　を決定し、該位置データｘ０　に基づい
   て前記位置合わせを行なうことを特徴とする半導体素子
   の製造方法。
6. 【請求項６】　　前記レリーフ状マークは回折格子より
   成っていることを特徴とする請求項４記載の露光装置。
7. 【請求項７】　　前記レリーフ状マークは回折格子より
   成っていることを特徴とする請求項５記載の半導体素子
   の製造方法。