JPH043413A - アライメント装置 - 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、ウェハ上のアライメントターゲット位置を、
常に高精度に検出する半導体露光装置のアライメント装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体素子の製造には、従来、ウェハを順次ステップ移
動させながら縮小投影露光を行うステッパが用いられて
いる。半導体素子はマスク上の回路パタンを順次重ねあ
わせて露光することによって製造される。こ、のため、
ウェハ上の回路パタンとマスク上の回路パタンは６短絡
、断線がないように、高精度にアライメントされる必要
がある。

通常、上記アライメントは、ウェハ上またはマスク上の
合わせ用ターゲットの信号波形を光学的に検出し、これ
から求めた位置情報に基づいて、ウェハステージまたは
マスクステージを移動させることによって行われる。し
たがって、アライメント精度はターゲットの検出精度に
依存する。

一方、ウェハ上のターゲットの検出信号波形番よ。

レジストの膜厚や塗布むら、ターゲットの段差形状や深
さ、下地膜の屈折率や吸収率などによって変化する。こ
れらの条件は半導体製造の各プロセスで異なるため、プ
ロセスによっては波形のコントラストや対称性が劣化し
、検出位置の精度が低下する場合を生じる。しかし、上
記の場合でも検出方式を変えることによって、波形形状
が向上し精度を向上させることができる。このため、複
数の検出方式をプロセスによって使％Ｎわける方法カス
提案されている。例えば、特開昭６１−１２８１０６の
ように回折光検出と散乱光検出を併用する方法、特開昭
６２−１８１４２９のように明視野検出と暗視野検出を
併用する方法、あるいは、特開昭６３−７０５２１のよ
うにアライメント照明光の波長を複数化する方法などが
開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、あるプロセスのターゲットに対して、
どれが最適な検出方式であるかを定量的に評価する手段
をもたず、判断は試行錯誤かオペレータの経験に頼って
いた。しかし、ＡＳＩＣ等の普及により少量多品種の半
導体素子へのニーズが高まるにつれプロセスは多様化し
、各プロセスに対する最適検出方式選択の迅速化が必要
に迫られている。

本発明は、このような点からなされたものであり、複数
の検出方式から最適なものを自動的に選択する機能を備
えた、アライメント装置を得ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、複数のアライメント検出手段と、アライメ
ント波形の性質の評価手段と、該評価手段の結果とによ
り、上記複数のアライメント検出手段から所望の手段を
選択する選択手段を具備することによって達成される。

すなわち、複数の検出方式を備えたアライメント装置に
おいて、検出した波形の対称性、コントラスト、ノイズ
等を評価することにより、最適方式を自動的に選択する
ものである。

〔作用〕

本発明では複数の検出方式を備え、逐次または同時にタ
ーゲットを検出し、各方式での評価量を計算し、各方式
の中から最良の評価量をもつ方式を選択することにより
、最適方式を自動的に選択する。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明によるアライメント装置の一実施例を示
す図、第２図は上記実施例の制御・処理回路を示す図、
第３図は波形コントラストの求め方を示す図、第４図は
波長を変えた場合の明視野と暗視野の検出波形のコント
ラスト向上を示す図、第５図はガルバノミラ−の振れ角
を大きくしたときの波形ノイズ減少を示す図、第６図は
波長が異なる光で検出した波形を合成することによる波
形の対称性の向上を示す図、第７図は複数の検出方式で
検出した波形を記憶する手順を示す図、第８図は最適検
出方式および最適パラメータを決定する手順を示す図、
第９図は波形のノイズ量を算出する手順を示す図、第１
０図は対称性マツチング強度の求め方を示す図、第１１
図は上記手順で得られた明視野と暗視野検出波形の例を
示す図、第１２図は暗視野検出波形に対するしきい値法
によるターゲット位置の求め方を示す図、第１３図は明
視野検出波形に対するしきい値法によるターゲット位置
の求め方を示す図、第１４図は制御・処理回路が行う手
順を示す図である。本発明の一実施例を示す第１図は、
レチクル上に描かれた回路パタンを、縮小レンズ２を介
してウェハ３上に転写する縮小投影露光装置における、
複数の検出方式を備えたターゲットバタン検出系を示す
。

照明光源としては、波長５１４ｎｍのＡｒレーザ４１と
波＆５４３．５ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ４２を備え、ダ
イクロイックミラー４３でＡｒレーザ４１の光は透過、
Ｈｅ−Ｎｅレーザ４２の光は反射され、両者は同一光路
を進みガルバノミラ−４４に入射する。ところで、縮小
レンズ２はアライメント照明光に対しては色収差を持つ
ため、ウェハ３の共役像は、Ａｒレーザ光４１の場合は
工、に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光４２の場合は工２にできる
。　Ａｒレーザ光で照明する場合はダイクロイックミラ
ー４５１．４５２がこの光を透過するので、ガルバノミ
ラ−４４は結像レンズ４７、ビームスプリッタ５１．対
物レンズ５２を介して、ウェハ３の共役像Ｉ□と共役の
位置に置かれている。一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光４２で
照明する場合は、まず、ダイクロイックミラー４５１で
反射され、光路迂回後、ミラー４６１，４６２、ダイク
ロイックミラー４５２を介して元の光路に戻る。上記光
路の迂回によりガルバノミラ−４４は、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ光４２に関してウェハ３の共役像工２と共役に置かれ
る。ガルバノミラ−４４は紙面内の回転軸ＸＸ′を中心
に振れ、縮小レンズの入射瞳２１上で軌跡２２を描き、
照明光のウェハ３上のドツト状ターゲットマーク３１へ
の入射光を、検出方向に０１、θ２．θ、のように変化
させる。

ここで照明光の入射角範囲を与えるパラメータとして、
軌跡２２の長さＬと入射瞳２１の径りの比をσ（＝Ｌ／
Ｄ）と定義する。パラメータσはガルバノミラ−４４の
振れ角で決まる。なお、ガルバノミラ−４４とウェハ３
とは共役なので、ガルバノミラ−４４が振れてもウェハ
３上の照明領域３２は動かない。

ウェハ３で反射された光は、縮小レンズ２、ミラー５３
、対物レンズ５２を介してビームスプリッタ５１を透過
し、結像レンズ５４を介してダイクロイックミラー６１
に入射する。上記ダイクロイックミラー６１によりＡｒ
レーザ光は透過され、一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光は反射
され、ミラー７１に入射する。ウェハの共役像Ｉ、、Ｉ
２は、対物レンズ５２と結像レンズ５４とにより１次拡
大像としてＩ工′、工２′に結像される。Ａｒレーザ光
はハーフミラ−６２によって分割され、結像レンズ６３
１．６３２は１次拡大像１１′をそれぞれ１次元撮像素
子６６１，６６２上に結像する。シリンドリカルレンズ
６５１，６５２は、検出方向と垂直に拡がった光を１次
元撮像素子６６１，６６２上に集光する。ハーフミラ−
６２の一方の光路に空間フィルタ６４２が設置され、０
次光反射成分をカットし、１次元撮像素子６６２で検出
することによりＡｒレーザ光の暗視野検出を実現してい
る。これに対して、空間フィルタがない１次元撮像素子
６６１側では、Ａｒレーザ光の明視野検出を行う。

一方、ミラー７１で反射されたＨｅ−Ｎｅレーザ光は、
ハーフミラ−７２によって分割され、結像レンズ７３１
，７３２は１次元拡大像■２　をそれぞれ１次元撮像素
子７６１，７６２上に結像する。シリンドリカルレンズ
７５１，７５２は、検出方向と垂直に拡がった光を１次
元撮像素子７６１．７６２上に集光する。ハーフミラ−
７２後の一方の光路に空間フィルタ７４２が設置され、
０次光反射成分をカットし、１次元撮像素子７６２で検
出することにより、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光の暗視野検出を
実現している。これに対して、空間フィルタがない１次
元撮像素子７６１側では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光の明視野
検出を行う。以上により、１次元撮像素子６６１，６６
２，７６１゜７６２で検出した信号は、制御・処理回路
８に入力される。

つぎに制御・処理回路の詳細を第２図により説明する。

１次元撮像素子６６１，６６２，７６１゜７６２からの
各光電信号ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ，ＩＤは、プリアンプ８４
１，８４２，８４３，８４４で増幅されたのち、利得制
御アンプ（以下、ＡＧＣと略す）８５１，８５２，８５
３，８５４に入力される。上記ＡＧＣ８５１，８５２，
８５３゜８５４は出力があらかじめ決められた大きさに
なるように、利得がコンピュータ演算処理部８８２（以
下、ＣＰＵと略す）により制御される。ＡＧＣ８５１，
８５２，８５３，８５４より出力された信号ＩＡ’　　
ＩＢ’　　ＩＣ’　　ＩＤ’はアナログ−デジタル変換
器（以下、ＡＤＣと略す）によりデジタル値に変換され
、入力メモリ８８１（以下、Ｒと略す）に入力される。

また、ＡＧＣ８５１゜８５３の出力信号ＩＡ’、ＩＣ’
は加算器８６１によりＩＥ’として出力され、ＡＤＣ８
７３でデジタル値に変換されたのち、Ｒ８８１に入力さ
れる。

Ｒ８８１のデータはＣＰＵ８８２によりメモリＲＡＭ８
８３の所定のアドレスに記憶される。また、ＣＰＵ８８
２は演算結果に基づいてガルバノミラ−４４の振れ角を
制御し、また、Ｒ８８１に入力される波形の最大値が所
定の値となるように、ＡＧＣ８５１，８５２，８５３，
８５４の利得を制御する。

今、ここで検出した波形のコントラストＣを、第３図に
示すように波形の最大値Ｙ　ｗａｘと最小値Ｙ　ｓｉｎ
を用いて と定義する。明視野、暗視野の検出波形は、それぞれ第
４図に示す９０１，９０２のようになるが、波長を変え
ると９０３，９０４のようにコントラストを向上させる
ことができる。また、明視野、暗視野とも、ガルバノミ
ラ−の振れ角で決まるσの値を太き（すると、波形は第
５図に示す９０５から９０６へと変化し、照度むらが減
少し波形のノイズを小さくすることができる。この時、
反面コントラストも減少する。また、明視野の時、バタ
ンの検出方向にレジストの塗布むらがあった場合には、
Ａｒレーザ光、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光それぞれの単一波長
の照明では、ガルバノミラ−４４を揺動しても、第６図
の９０７，９０８に示すように波形が非対称になるが、
２波長の波形を合成すれば９０９に示すように対称性が
改善できる。上記現象を踏まえ最適な検出方法およびパ
ラメータを決定するため、制御・処理回路８内のＣＰＵ
８８２はつぎに示す手順を行う。

まず、第７図においてパラメータσの分割数Ｎ０を決め
る（例えば、Ｎ０＝ｌＯ）。ステップ８０１でＮ＝１と
おくことにより、ステップ８０２でσ＝０（ガルバノミ
ラ−４４が静止）の場合から順に検出する。つぎに第１
図に示す１次元撮像素子６６１，６６２，７６１，７６
２によって撮像されたＡｒレーザ明視野、暗視野、Ｈｅ
−Ｎｅレーザ明視野、暗視野の波形は、それぞれステッ
プ８０３，８０４，８０５，８０６で入力メモリ８８１
から取り出され、ＲＡＭ８８３に記憶される。さらに、
ステップ８０７で入力メモリ８８１のデータを足し合わ
せることにより、ＡｒレーザとＨｅ−Ｎｅレーザの明視
野検出の合成波形がメモリに記憶される。上記操作はス
テップ８０８でＮがＮ０＋１に達するまで繰り返され、
達しない場合にはステップ８０９でＮ＝Ｎ＋１としたの
ち、ステップ８０２に戻る。上記操作で最適な検出方法
およびパラメータを決定するために、対象となる波形が
すべて（全部で、ｎ、＝５（Ｎ０＋１）個）ＲＡＭ８８
３に記憶される。

つぎに波形の評価手順を第８図に示す。まず、ＣＰＵ８
８２はステップ８１１でｉ＝１とおき、ステップ８１２
でＲＡＭ８８３の１番目に記憶されている波形を読み出
す、つぎに、ステップ８１３でこの波形のノイズ量Ｒを
算出する。ここで、上記ノイズ量Ｒの算呂法を第９図に
基づいて説明する。さきに波形データが検出方向にＭ個
にサンプリングされていたとし、原波形データがＹ　、
、、、　Ｙ、、、・・・・・・Ｙ、、Ｍで表されるとす
る。まず、ＣＰＵ８８２はステップ８２１でに＝１．ス
テップ８２２でｉ＝２とおき、ステップ８２３゜８２４
．８２５のループでｉ　＝　２からＭ−１まで３点平均
を求める。つぎに上記３点平均化処理回数がＫ（例えば
に：５）に達するまで、ステップ８２６．８２７で同じ
操作を繰り返す。つぎにステップ８２８で、原波形デー
タとに回平均化処理後のデータの差の２乗の平均値にお
ける平方根を求めることにより、ノイズ量Ｒが求められ
る。

第８図に示すステップ８１４では、上記Ｒと基準量との
比較を行う。εとしては、例えば波形の最大値Ｙ　ｗａ
ｘと最小値Ｙ　ｗｉｎとの差の１０％の値、すなわち ｉ　　＝　（Ｙｍａｘ−Ｙｍｉｎ）Ｘ　　０．１を与え
る。ステップ８１４を満たさない場合は、ステップ８１
５でｉ＝ｉ＋１とし、つぎの波形を読み出す、ステップ
８１４を満たす場合は、ステップ８１６で評価量Ｖの算
出を行う。

上記評価量Ｖは、（１）式のコントラストＣとつぎに定
義する対称性マツチング強度Ｓの関数、すなわち ｖ＝ｆ（ｃ、ｓ）　　　　　　　　　　（２）で定義す
る。特公昭５６−２２８４によれば、第１０図（ａ）に
示す波形９１０において、対称性関数Ｚｉ９１１は第１
０図（ｂ）に示すように、対称折り返し点ｉ点、加算幅
をｍ個とじてで定義される。対称性マツチング強度Ｓは
、このＺｉの最大値Ｚ　ｗａｘと最小値Ｚ　ｗｉｎを用
いてで定義する。上記Ｓが１に近いほど対称性の度合い
が大きいことになる。したがって、（２）式のｆ（Ｃ，
Ｓ）を例えばＣとＳとの積、すなわちｖ＝ｃｘｓ とすると、評価量Ｖはコントラストおよび対称性の度合
いが大きいほど１に近くなる。

第８図に示すステップ８１６，８１７の評価量■の算出
および評価量Ｖと波形番号ｉのＲＡＭ８８３への記憶は
、ステップ８１８，８１５によりｉがｎ。に達するまで
繰り返される。この結果、ステップ８１４の条件を満た
すすべての波形の評価量Ｖが求められるため、この中か
らステップ８１９でＶの最大値を求める。ステップ８２
０で上記■に対応する波形番号ｉから検出方式およびパ
ラメータσが得られ、これが対象とするプロセスを検出
するための最適検出方式および最適パラメータを示す。

なお、実施例としてはＡｒレーザ光、Ｈｅ−Ｎｅレーザ
光を用いたが、上記以外の波長の光を照明光として用い
てもよく、照明光源としてはレーザ光以外に、多波長の
光を発する水銀ランプ等を用いてもよい。また、波形の
ノイズ量Ｒ１評価量Ｖの算出は、ウェハ上の複数の位置
のターゲットの波形を検出し、これらの平均値として与
えてもよい。また、波形の性質を評価する値として、上
記ＲおよびＶ以外のものを用いてもよい。

つぎに、ターゲット位置を求めるための複数の算出手段
から最適な手段を選択する方法について説明する。評価
量ＶはＣとＳとの積であるから、上記により決定した最
適検出方式で得られる波形は、第１１図（ａ）の明視野
波形９１２と（ｂ）の暗視野波形９１３のようにコント
ラストは高いが対称性が悪い場合、および（Ｃ）に示す
明視野波形９１４と（ｄ）に示す暗視野波形９１５のよ
うに対称性はよいが、コントラストが悪い場合が存在す
る。ターゲット位置の算出手段は、これらの場合に応じ
てそれぞれ選択する必要がある。特公昭５６−２２８４
に開示されている対称性関数による位置算出方法は、波
形が対称である場合は有効であるが、非対称な場合は誤
差が発生する。

そこで、波形が非対称な場合は別の位置算出手段を選択
する。

第１１図（ｂ）に示すように暗視野で波形が９１３のよ
うに非対称な場合は、ＣＰＵ８８２は例えば第１２図に
おいてしきい値ａを設定し、ａが波形を切る点Ａ１．Ａ
２の中点Ｃ＾、すなわちＣ＾＝　（Ａ１＋　Ａ２）／　
２　　　　　　　　（６）をターゲット位置とする。

また、第１１図（ａ）の９１２のように明視野で波形が
非対称な場合にＣＰＵ８８２は、第１３図に示すように
しきい値すを設定し、これが波形を切る点Ｂ工ｌ　Ｂｉ
ｔ　Ｂｉｔ　Ｂｅｔ　を求め、Ｂ□、Ｂ２の中点と、Ｂ
、、Ｂ４の中点との中点Ｃａ、すなわち Ｃａ＝（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ、＋Ｂ、）／４　　　　（７）
をターゲットの位置とする。

上記のようなしきい値法は、波形の非対称性の影響を受
けにくく、また、設定したしきい値にかかりやすいコン
トラストが高い波形に適する。なお、上記の位置算出手
段は、実行可能なプログラムまたは専用の演算回路のど
ちらでもよい。

上記複数の位置算出手段から波形に応じて最適な手段を
自動的に選択するため、ＣＰＵ８８２は第１４図に示す
手順を実行する。まず、ステップ８３０で最適検出方式
で検出した波形を読み込み、ステップ８３１で、この波
形の対称性マツチング強度Ｓがあらかじめ設定した基準
値Ｔ０より小さいかどうかを判断する。大きい場合は、
ステップ８３２で対称性関数を用いた位置算出法を選択
する。小さい場合は、ステップ８３３で明視野か暗視野
かを判断する。暗視野の場合は（６）式を用いたしきい
値法を選択し、明視野の場合は（７）式を用いたしきい
値法を選択する。なお、選択の対象となる位置算出法は
上記３例に限られたものではなく、他の位置算出法であ
ってもよい。また、選択の判断に用いられる波形の性質
の評価量は、上記の対称性マツチング強度Ｓに限られた
ものではない。

上記実施例を実行すれば、ウェハ上のターゲット位置を
プロセスによらず、常に高精度に検出することができる
。

〔発明の効果〕

上記のように本発明によるアライメント装置は、複数の
アライメント検出手段と、アライメント波形の性質の評
価手段と、該評価手段の評価結果とにより、上記複数の
アライメント検出手段から所望の手段を選択する、選択
手段を具備したことにより、複数の検出方法を有するア
ライメント装置において、最適検出方法と最適パラメー
タとを自動的に決定できるので、多数なプロセスに対し
て迅速に最適検査を行うことができ、また、検出された
波形に対して最適な位置算出手段を自動的に選択できる
ので、常に高精度にアライメントを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるアライメント装置の一実施例を示
す図、第２図は上記実施例の制御・処理回路を示す図、
第３図は波形コントラストの求め方を示す図、第４図は
波長を変えた場合の検出波形のコントラスト向上を示す
図で、（ａ）は明視野を示す図、（ｂ）は暗視野を示す
図、第５図はガルバノミラ−の振れ角を大きくしたとき
の波形ノイズの減少を示す図、第６図は波長が異なる光
で検出した波形を合成することによる波形の対称性の向
上を示す図、第７図は複数の検出方式で検出した波形を
記憶する手順を示す図、第８図は最適検出方式および最
適パラメータを決定する手順を示す図、第９図は波形の
ノイズ量を算出する手順を示す図、第１０図（ａ）およ
び（ｂ）は対称性マツチング強度の求め方を説明する図
７第１１図は上記手順で得られた明視野と暗視野検出波
形の例を示す図で、（ａ）および（ｃ）は明視野波形を
示し、（ｂ）および（ｄ）は暗視野波形を示す図、第１
２図は暗視野検出波形に対するしきい値法によるターゲ
ット位置の求め方を示す図、第１３図は明視野検出波形
に対するしきい値法によるターゲット位置の求め方を示
す図、第１４図は制御・処理回路が行う手順を示す図で
ある。 １・・・レチクル　　　　　２・・・縮小レンズ３・・
・ウェハ　　　　　　８・・・制御・処理回路２１・・
・縮小レンズ入射瞳 ３１・・・ターゲットマーク ４４・・・ガルバノミラ− 代理人弁理士　　中　村　純之助 １：し針クル ２：縮ノ１ルンス　　　３゛ウェハ ３１：ターケユソトマーク ４４ニー１７’ルバ°ノミラー 第 図 Ｑ只１ 第８ 図 （α） （ｂ） 第１０図 （α） 第１１ 図 （ｂ） 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数のアライメント検出手段とアライメント波形の
   性質の評価手段と該評価手段の結果により、前記複数の
   アライメント検出手段から所望の手段を選択する選択手
   段を具備したことを特徴とするアライメント装置。 ２、前記性質は、コントラスト、対称性、ノイズの少な
   くともいずれか一つであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のアライメント装置。 ３、前記評価手段は基板上の複数の位置におけるアライ
   メント波形の性質を用いることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のアライメント装置。 ４、アライメント方法であって、複数の検出手段により
   、少なくとも一つのターゲットに対して異なる複数の波
   形を検出し、該複数の波形の性質を評価し、評価結果か
   ら最適検出手段を選択し、該最適検出手段によりアライ
   メントを行うアライメント方法。 ５、前記波形の性質は、コントラスト、対称性、ノイズ
   の少なくともいずれか一つであることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載のアライメント方法。 ６、検出した波形の性質を評価し、評価結果より、複数
   あるアライメント位置算出手段から最適なアライメント
   位置算出手段を選択し、アライメント位置算出を行うこ
   とを特徴とする演算処理装置。 ７、前記波形の性質は、コントラスト、対称性、ノイズ
   の少なくともいずれか一つであることを特徴とする特許
   請求の範囲第６項記載の演算処理装置。 ８、前記アライメント位置算出手段は、実行可能なプロ
   グラム、または、専用の演算回路の少なくともいずれか
   一つであることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載
   の演算処理装置。