JPH04364020A - パターン検出装置及び露光装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体，液晶素子等の
電子デバイス製造工程において、マスクと基板を近接さ
せてマスクパターンを基板上に転写するプロキシミティ
露光方式のマスクと基板の高精度な位置合わせを可能と
するパターン検出装置及び露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロキシミティ露光装置は、回路パター
ンを形成したマスクとマスクの回路パターンが転写され
る基板間に、数十から１００μｍ程度の微小ギャップを
あけて露光するものである。

【０００３】マスクと基板のパターン同士の位置合わせ
は、マスクと基板のアライメント用パターンを同時に検
出光学系により取り込み、そのずれ量を検出するもので
ある。この時、検出光学系の焦点深度よりも、マスクと
基板間のギャップが広いと、どちらか一方あるいは両方
のアライメント用パターンがぼけた状態で検出されるた
め、精度の高い検出ができない。

【０００４】従来の装置におけるパターン検出方法の例
としては、特開昭５１−１３８４６４号公報に記載のよ
うにマスクと基板のギャップ量に応じて、それぞれ光路
長を変えた二つの光路を合成した光学系で、焦点が合っ
たマスクと基板のアライメントパターンの像を合成して
撮像装置に結像させ、マスクと基板の相対位置を検出す
るものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】プロキシミティ露光装
置におけるマスクと基板のパターン同士の位置合わせは
、一般に検出光学系の対物レンズの焦点位置を、マスク
と基板の中間位置に設定するため、検出像のコントラス
トが低下し、検出精度さらには位置合わせ精度も劣化す
る。また、パターンを形成する基板が大型になると、マ
スクと基板を接触させないためには、ギャップをさらに
拡げる必要性がでてくる。これに伴い、マスクと基板の
アライメント用パターンの検出精度、そして位置合わせ
精度が劣化したり、さらには位置合わせができないもの
がでてくる可能性がある。

【０００６】これに対して、上記従来技術はマスク及び
基板共に対物レンズの焦点が合っているため、高精度の
検出ができる利点がある。一方、低コストの検出装置を
実現するには、構成の簡素化を図る必要があり、従来技
術とは別の方式を考える必要がある。

【０００７】本発明の目的は、マスクと基板間のギャッ
プ量に応じて、検出光学系のＮＡの最適化を図ると共に
照明光路における絞りを適切な径にすることにより、コ
ントラストの高い検出像が得られ、高精度なマスクと基
板の位置合わせを可能とし、しかも簡単な検出光学系の
構成によるコストの低いパターン検出装置及び露光装置
を提供することにある。

【０００８】

【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、マスクと基板上を落射照明する照明手段
と、マスクと基板上の段差パターンからの反射光のＮＡ
を制約するＮＡ絞りを対物レンズの後側焦点位置あるい
は共役位置の近くに配置し、前記ＮＡ絞りの径を任意に
調整できる機構と、前記ＮＡ絞りを通過して結像した像
の光強度分布を光電変換素子により受光して信号に変換
する検出手段を備え、マスクと基板間のギャップ量に応
じて、最適であるパターン検出装置のＮＡ絞り径に設定
することにより、高精度なアライメント性能を実現でき
るパターン検出装置及び露光装置を提供する。

【０００９】また、ＮＡ絞り径が変動しても光電変換素
子に到達する光量を一定にするために、照明手段に開口
絞りを設け、ＮＡ絞り径の変化に対応して開口絞り径を
制御できるようにしたパターン検出装置及び露光装置を
提供するものである。

【００１０】

【作用】プロキシミティ露光装置におけるマスクと基板
のアライメントは、図３（ａ）に示すようにマスクのア
ライメントパターンと基板のアライメントパターンの双
方の反射光を検出光学系の対物レンズにより取り込み、
マスク及び基板のアライメントパターンを検出するもの
である。ここで、対物レンズの焦点深度から検出物体が
はずれてしまうと像がぼけてしまう現象を生じる。

【００１１】焦点深度ΔＺは対物レンズの開口数（ＮＡ
）により決定され、この関係式を式（１）に示す。

【００１２】

【数１】

【００１３】式（１）で求めた焦点深度とＮＡの関係を
図４に示す。この図で分かるように、ＮＡが大きくなる
程、焦点深度が浅くなる。このため、図３（ａ）に示す
マスクと基板のギャップＺが焦点深度より十分大きい場
合は、図３（ｂ）に示す通り検出像のコントラストが低
く、ギャップＺが焦点深度内である場合は、図３（ｃ）
に示す通り検出像のコントラストが高くなる。

【００１４】ここで、検出像のコントラストＣは、図３
（ｂ），（ｃ）に示す通り最大出力をａ、最小出力をｂ
とすると式（２）より求まる。

【００１５】

【数２】

【００１６】また、一般的にコントラストが高いほど、
検出精度が向上する。

【００１７】本発明によれば、対物レンズの後側焦点位
置あるいはその共役位置の近くに調整可能な絞りを設け
ることにより、検出光学系のＮＡを任意に変えることが
可能となり、マスクと基板のギャップに応じて絞りの径
を調整して焦点深度の最適化を図り、コントラストの高
い検出像が得られる。

【００１８】また、照明光路に配置された開口絞りの径
を可変にすることにより、検出手段のＮＡが変化しても
ＮＡ絞り径に対する開口絞り径の割合を、常に等しくす
ればコントラストの高い検出像が得られる。さらに、照
明光路の光源とコンデンサレンズを光軸方向に移動自在
とすることにより、開口絞り位置における照明光源の大
きさを調整することが可能となり、検出光路の光電変換
素子に到達する光量のむだを低減することができ、光電
変換素子に到達する光量が一定になるため、ＮＡ絞り径
を変更しても照明光量の調整が不要となる。

【００１９】また、ＮＡ絞り及び開口絞りの径と光電変
換素子における出力の関係を記憶できる手段を用いて、
両絞りを変えながらアライメントパターンの検出像のコ
ントラストを記憶させ、最もコントラストが高い両絞り
径を選択して設定することにより、高コントラストの検
出像が得られる。

【００２０】上記パターン検出装置を用いて、マスクパ
ターンと基板パターンの位置合わせを行なうことにより
、露光ができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図によって説明する
。

【００２２】図１に本発明の一実施例であるプレキシミ
ティ露光装置のパターン検出装置の基本構成を示す。基
板１とマスク３は微小ギャップをあけて保持されている
。検出光学系は検出光路５、照明光路１３で構成されい
ている。検出光路５は、対物レンズ６と、リレーレンズ
９及びＴ．ＶカメラあるいはＣ．Ｃ．Ｄ等の光電変換素
子１２で構成されている。対物レンズ６の焦点７はマス
クアライメントパターン４及び基板アライメントパター
ン２を同時に検出するため、マスク３と基板１間のギャ
ップの中央付近に設定する。また、対物レンズ６の焦点
７と光電変換素子１２は、対物レンズ６とリレーレンズ
９を介して結像関係にある。対物レンズ６の後側焦点位
置８と、リレーレンズ９を介して共役関係にある位置に
ＮＡ絞り１０と、ＮＡ絞り１０の径を任意の大きさに設
定するＮＡ絞り径調整機構１１を配置する。照明光路１
３は、光源１４とコレクタレンズ１５と開口絞り１６と
開口絞り径調整機構１７とリレーレンズ１８で構成され
ている。光源１４の像は、コレクタレンズ１５を介して
開口絞り１６の位置に結像し、さらに開口絞り１６はリ
レーレンズ１８を介して、対物レンズ６の後側焦点位置
８に結像されるケーラー照明とする。

【００２３】パターン検出装置におけるパターン検出と
はマスク３と基板１に配置したマスクアライメントパタ
ーン４と基板アライメントパターン２の相対位置を検出
するものである。アライメントパターンはマスク３には
図２（ａ）に示す井桁状マスクアライメントパターン４
、基板１には図２（ｂ）に示す十字状基板アライメント
パターン２をそれぞれ一対ずつ配置しておき、図２（ｃ
）に示す通りマスクアライメントパターンと基板アライ
メントパターンを重ね合わせた時に、マスクアライメン
トパターン４の中央に基板アライメントパターン２が位
置合わせされるように配置したものである。

【００２４】プロキシミティ露光方式のパターン検出装
置では、図３（ａ）に示すマイク３と基板１間のギャッ
プＺの中央付近に対物レンズ６の焦点７を設定するため
、対物レンズ６の焦点７に対してマスクアライメントパ
ターン４及び基板アライメントパターン２は、それぞれ
ギャップの半分の距離だけ焦点のずれた像が検出される
。このため、マスクと基板間のギャップが拡いと図３（
ｂ）の様にコントラストの低い検出像が得られるが、ギ
ャップが狭いと図３（ｃ）の様にコントラストの高い検
出像が得られる。通常のアライメントでは、検出波形よ
りマスクアライメントパターン４及び基板アライメント
パターン２の中心を求め、マスクアライメントパターン
４の間隔Ｌｍの中心に基板アライメントパターン２を位
置合わせする。従って、アライメント検出精度は、パタ
ーン中心を検出する精度となり、この検出精度を向上さ
せるために検出像のコントラストを高くする必要がある
。

【００２５】検出像のコントラストは、検出光学系のＮ
Ａに大きく影響される。一般に、ＮＡと焦点深度ΔＺ及
び解像度Ｒの関係は、式（３），式（４）で表される。

【００２６】

【数３】

【００２７】

【数４】

【００２８】焦点深度ΔＺはＮＡの二乗に反比例して深
くなり、解像力ＲはＮＡに比例して高解像度となる。Ｎ
Ａと焦点深度ΔＺの関係を図４に、ＮＡと解像度Ｒの関
係を図５に示す。これより、ＮＡを小さくすることによ
り、焦点深度が深く解像度が低い検出光学系に設定でき
、ＮＡを大きくすることにより、焦点深度が浅く解像度
が高いパターン検出装置に設定できる。

【００２９】ここで、パターン検出装置の解像度ＲはＮ
Ａが大きいほど高くなるため、ＮＡを小さくして焦点深
度ΔＺを深めた光学系ほどアライメント検出精度が向上
するとは限らず、アライメントパターン面と対物レンズ
の焦点とのずれ量より大きい焦点深度を持つ最大のＮＡ
が検出光学系の最適値となる。従って、マスク３と基板
１の設定ギャップに対して、ＮＡ絞り１０の径を調整し
て焦点深度を合わせる様にすればよい。例えば、設定ギ
ャップを５０μｍとした場合は、図４よりＮＡを０．１
になる様にする。また、この場合の解像力は、図５より
３μｍであるからアライメントパターン幅は、３μｍ以
上にする必要がある。同時に、設定ギャップを１００μ
ｍとした場合は、ＮＡを０．０７にして、アライメント
パターン幅は４．３μｍ以上とする必要がある。

【００３０】尚、検出したパターンの像のコントラスト
は焦点深度外であると急激に劣化することはなく、必ず
しもギャップと焦点深度を合わせる必要がない。

【００３１】開口絞り１６の径を制御して、検出像のコ
ントラストを高めるためにはＮＡ絞り１０の径に対する
開口絞り１６の径を一定にする必要がある。これについ
て、パターン検出装置の基本構成を示す図１を用いて説
明する。単に、開口絞り１６を変化させる方法と、設定
した開口絞り１６の径と開口絞り１６の位置における光
源１４の像の大きさが等しくなるように、光源１４及び
コレクタレンズ１５を光軸方向に移動させて光源１４の
像の倍率を設定する方法がある。例えば、ＮＡ絞り１０
の径をＤ１、対物レンズ６の後側焦点位置８におけるＮ
．Ａ絞り１０の径Ｄ１の像の径をＤ２、Ｄ１のＤ２にお
ける倍率をａ、開口絞り１６の位置における光源１４の
像の径をＤ３、Ｄ３のＤ２における倍率をｂとおくと、
式（５）に示す関係が成り立つ。

【００３２】

【数５】

【００３３】従って、Ｄ３はＤ１に比例するため、実際
のＮ．Ａ絞り１０の径Ｄ１に対してａ／ｂの比率で開口
絞り１６の径Ｄ３を制御すればよい。

【００３４】また、光電変換素子１２に到達する光量を
一定にして、検出像のコントラストを高める別の方策と
しては、光源から発光する照明光の照度を任意に調整で
きる機構を設けることが考えられる。

【００３５】ここで、ＮＡ絞り１０と開口絞り１６の例
を図６に示す。ＮＡ絞り１０と開口絞り１６は、それぞ
れＮＡ絞り径調整機構１１及び開口絞り径調整機構１７
により、任意の径に調節することができる。ＮＡ絞り１
０の機構は図６（ａ）に示す通り、ＮＡ絞り径調整機構
１１を用いて絞りの周辺部を回転させることにより、Ｎ
Ａ絞り１０の径を任意に調整する方法がある。また、別
の機構として図６（ｂ）に示す通り、ＮＡ絞り径調整機
構１１を用いて絞りの周辺部を回転させることにより、
任意の径の絞りに設定する方法がある。尚、開口絞り１
６及び開口絞り径調節機構１７についてはＮＡと同様で
よい。

【００３６】図７にパターン検出装置を露光装置に適用
したシステム構成図を示す。検出光路５及び照明光路１
３は図１と同じ構成で、光電変換素子１２からの出力は
Ａ／Ｄ変換器２０とシンクロスコープ２１に、またＡ／
Ｄ変換器２０からの出力はインターフェイス回路２２を
通してＣＰＵ２３に記憶される。露光装置で露光を開始
する前に装置の諸条件を制御装置２４に入力する。この
条件の内の一つが設定ギャップである。例えば、図４に
示した焦点深度とＮＡの関係図において、焦点深度の代
わりにギャップとしたデータファイル２５より最適ＮＡ
を求める。さらに、このＮＡに設定されるように、制御
装置２４よりＮＡ絞り径調整機構１１を駆動させ、最適
ＮＡ絞り１０の径に設定する。このＮＡ絞り１０の径に
対応して、最適な開口絞り１６の径をデータファイルよ
り求め、制御装置２４より開口絞り径調整機構１７を駆
動させ、最適な開口絞り１６の径に設定する。

【００３７】例えば、ギャップ２００μｍの場合におけ
る最適ＮＡ設定手順について具体的に説明する。まず、
制御装置２４に入力されたギャップ通りに設定されるよ
うに、基板チャック２６を上昇させる。次に、ギャップ
２００μｍにおける最適ＮＡをデータファイル２５より
０．０４と求め、ＮＡ０．０４となるように制御装置２
４よりＮＡ絞り径調整機構１１を駆動させ、最適なＮＡ
絞り１０の径に設定する。また、設定したＮＡに対応し
て、最適である開口絞り１６の径を設定するため、デー
タファイル２５より開口絞り１６の径を求め、制御装置
２４より開口絞り径調整機構１７を駆動させ、最適な開
口絞り１６の径に設定する。さらに、制御装置２４より
、光源１４及びコレクタレンズ１５を移動させる指令を
出し、開口絞り１６の位置に結像する光源１４の像の径
を開口絞り１６の径と等しくさせる。尚、実際にはデフ
ォーカス量が焦点深度内になくてもパターン検出ができ
る場合は、データファイル２５に示すＮＡとギャップの
関係は必ずしも式（１）に示した関係でなくてもよい。 以上でパターン検出装置の最適ＮＡ絞り及び開口絞り１
６の設定は終了であり、実際にマスク３と基板１のアラ
イメントを行うことにより高精度なアライメントが可能
となり、パターンの重ね合わせ精度が向上する。 尚、この検出光学系の最適ＮＡ設定は、基板毎あるいは
工程毎に行なうかどうかは状況に応じて決定すれば良い
。アライメント終了後、露光を行ないマスク３の回路パ
ターンを基板１上に転写する。

【００３８】次に、前述の方式とは別に、検出像のコン
トラストを基にして最適ＮＡを設定する方法について、
パターン検出装置を露光装置に適用したシステム構成図
を示す図７及び、フローチャートを示す図８を用いて説
明する。まず、マスク３と基板１間のギャップを設定し
てＮＡを最大にする。この状態より、光電変換素子１２
に到達する検出光の照度を一定に保ちながらＮＡが最小
になるまでＮＡ絞り１０及び開口絞り１６の径を駆動す
る。ＮＡが大きい場合は、図９（ａ）の様に焦点深度Δ
Ｚが浅いため、検出像のコントラストが低い。そして、
ＮＡを小さくすると検出像のコントラストが高くなり、
焦点深度ΔＺがギャップと同じ程度になると、図９（ｂ
）の様に最もコントラストが高い最適ＮＡとなる。 さらに、ＮＡを小さくすると解像力が低下し、コントラ
ストも低下する。このＮＡが最大から最小の動作中にお
ける検出波形のデータを随時記録しておき、最も高いコ
ントラストが得られる検出波形を抽出し、この時のＮＡ
を求める。次に、求めたＮＡになるようにＮＡ絞り径調
整機構１１を用いてＮＡ絞り１０の径を設定し、光電変
換素子１２に到達する検出光の照度が一定になるように
、開口絞り径調整機構１７を用いて開口絞り１６の径を
設定してアライメントを行なう。尚、この検出光学系の
最適ＮＡの設定は、基板毎あるいは工程毎に行なうかど
うかは状況に応じて決定すれば良い。本方式でもアライ
メント終了後、露光を行ないマスク３の回路パターンを
基板１上に転写する。

【００３９】このように、重ね合わせ露光工程では前露
光工程で基板１に転写されたパターンと、今回転写しよ
うとするパターンを描画してあるマスク３の位置合わせ
を行なう場合、アライメント検出系の焦点深度ΔＺがマ
スク３と基板１間のギャップに対して小さすぎると、ア
ライメントパターンの検出精度が低下する。また、ギャ
ップに対してアライメント検出系の焦点深度が大きすぎ
ると、ＮＡが必要以上に小さくなるため検出系の解像度
が低下し、位置合わせ精度が低下したり、あるいは検出
が不可能となる。そこで、露光条件に応じてアライメン
ト検出系のＮＡを最適値に設定し、任意のギャップでも
高精度の位置合わせを行なうことが可能である。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、マスクと基板を近接さ
せて露光を行なうプロキシミティ露光方式のアライメン
ト装置において、任意のギャップに応じてアライメント
検出系のＮＡを最適値に設定することができ、高精度の
位置合わせが可能となる。これにより、位置合わせ誤差
に起因した不良基板の減少による歩留まり向上が実現で
きる。

【００４１】また、ＮＡ絞り径の調整による光電変換素
子に到達する光量の変動に対しては、ＮＡ絞り調節機構
に連動させて開口絞り径を制御することにより均一化す
ることが可能となり低コスト、低コンパクト化が実現で
きる。

【００４２】また、液晶製品、プリント基板等の大面積
化に伴い、マスク及び基板も大面積に移行しつつあるが
、露光工程ではマスクと基板間のギャップ誤差が大面積
になるほど大きくなるため、大ギャップ対応型のアライ
メント装置が必要になってくる。この課題に対しても、
検出系のＮＡを最適化することにより検出が可能となり
、マスク及び基板の大面積化の実現に向けて有効な技術
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプロキシミティ露光用アライメン
ト装置の一実施例を示す光学系の系統図、

【図２】マス
ク及び基板アライメントパターンの形状を示す説明図、

【図３】アライメントパターンの検出像を示す説明図、

【図４】ＮＡと焦点深度の関係を示す特性図、

【図５】
ＮＡと解像力の関係を示す特性図、

【図６】ＮＡ及び開
口絞りを示す説明図、

【図７】図１のアライメント検出
光学系を露光装置に適用した例を示す説明図、

【図８】図１のアライメント検出系を露光装置に適用し
た例のフローチャート、

【図９】ＮＡと検出像の関係を示す説明図。

【符号の説明】

１…基板、２…基板アライメントパターン、３…マスク
、４…マスクアライメントパターン、６…対物レンズ、
８…後側焦点位置、１０…ＮＡ絞り、１１…ＮＡ絞り径
調節機構、１６…開口絞り。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回路パターンを形成したマスクと基板を近
   接させて、マスクパターンを基板上に転写させるプロキ
   シミティ露光方式において、マスクと基板上の照明手段
   と、マスクのパターンと基板上の段差パターンからの反
   射光を取り込む範囲を任意に調整可能な絞りを対物レン
   ズの後側焦点位置、あるいは、その共役位置の近くに配
   置し、前記絞りを通過して結像した像の光強度分布を光
   電変換素子により受光して信号に変換する検出手段を備
   えたことを特徴とするパターン検出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記照明手段は、光源
   とその光束を集光するコレクタレンズを光軸方向に移動
   自在とし、前記コレクタレンズにより光源が結像する位
   置に光源の大きさを任意に調整可能な絞りと、前記絞り
   を前記対物レンズの後側焦点位置に結像させるリレーレ
   ンズとからなり、マスク及び基板を落射照明するパター
   ン検出装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記検出手段の絞りの
   径に対応して照明手段の絞りの径を変動可能に構成した
   パターン検出装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記検出手段の絞りの
   径と照明手段の絞りの径に対する前記検出手段の光電変
   換素子の出力を記憶可能に構成されたパターン検出装置
   。
5. 【請求項５】回路パターンを形成したマスクと基板を近
   接させて、マスクパターンを基板上に転写させるプロキ
   シミティ露光方式において、マスクと基板上の照明手段
   と、マスクのパターンと基板上の段差パターンからの反
   射光を取り込む範囲を任意に調整可能な絞りを対物レン
   ズの後側焦点位置、あるいは、その共役位置の近くに配
   置し、前記絞りを通過して結像した像の光強度分布を光
   露変換素子により受光して信号に変換する検出手段と、
   前記検出手段から検出されるマスク及び基板上のアライ
   メント用のパターンに対して位置合わせするアライメン
   ト手段を備え、前記マスクに形成された回路パターンを
   基板上に露光するように構成したことを特徴とする露光
   装置。
6. 【請求項６】請求項５において、前記照明手段は、光源
   とその光束を集光するコレクタレンズを光軸方向に移動
   自在とし、前記コレクタレンズにより光源が結像する位
   置に光源の大きさを任意に調整可能な絞りと、前記絞り
   を対物レンズの後側焦点位置に結像させるリレーレンズ
   とからなり、マスク及び基板を落射照明する露光装置。
7. 【請求項７】請求項５において、前記検出手段の絞りの
   径に対応して照明手段の絞りの径を変動可能に構成する
   露光装置。
8. 【請求項８】請求項５において、前記検出手段の絞りの
   径と照明手段の絞りの径に対する前記検出手段の光電変
   換素子の出力を記憶可能に構成した露光装置。