JPH0441483B2

JPH0441483B2 -

Info

Publication number: JPH0441483B2
Application number: JP56022951A
Authority: JP
Inventors: Toshio Matsura; Kyoichi Suwa
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1981-02-20
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1992-07-08
Also published as: US4566795A; JPS57138134A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、IC露光装置の位置合わせ装置に関
し、特に、投影露光装置で投影光学系を用いたス
ルー・ザ・レンズ（TTL）方式の位置合わせ装
置に関する。

一般に、LSIやVLSI製造用焼付装置の光学レ
ンズによる投影露光法に於いて、マスクのパター
ンは、結像投影レンズを通してウエハ上に投影さ
れる。特に、マスクパターンをウエハ上に10分の
１程度に縮小して投影露光する装置に於いては、
一枚のウエハに同一パターンを繰り返し露光す
る。その為、各チツプを焼き付ける毎に、マスク
とウエハとの相対位置を投影レンズを通して（ス
ルー・ザ・レンズ方式。以下TTLと呼ぶ）観察
し、位置合わせの状態を確認する事が望ましい。
この様な方式は、ステツプ・アライメント又は、
イーチ・アライメントと呼ばれている。

近年、ウエハ上のパターンの線幅が1μm程度に
なるに至つて、ステツプ・アライメントの高精度
化、高速化が要求され、作業者の疲労の低減のた
めにもアライメントすなわち、位置合わせの自動
化、いわゆるオート・アライメントが必要となつ
てきた。

従来、TTLオート・ステツプ・アライメント
としては、ウエハ・アライメント・マーク像及び
レチクル・アライメント・マーク像を、ITVカ
メラによる走査、特開昭55−157230号公報、特開
昭55−162227号公報に開示されているようなスリ
ツト走査で光電変換して、ウエハとレチクルの相
対位置を検出する方法がとられて来た。第１図
は、ITVカメラを用いた従来技術によるTTL・
オート・ステツプ・アライメント装置を示す。
IC露光装置は、レチクル１上のパターンを、ウ
エハ３上に縮小投影レンズ２で焼き付ける。
TTLオート・ステツプ・アライメントを行うた
めに、このレチクル１上のレチクル・アライメン
ト・マーク４及びウエハ３上のウエハ・アライメ
ント・マーク５を、ITVカメラ１４の受光面に
再結像させる。但しこのウエハ・アライメント・
マーク５は、投影レンズ２によつてレチクル１上
に一担、結像されている。ITVカメラ１４の受
光面上の像は、図中左側の円形拡大部分１７で与
えられており、像４′はレチクル・アライメン
ト・マーク像、像５′はウエハ・アライメント・
マーク像である。これらの像をTV走査線で走査
した光電信号により、レチクル１とウエハ３との
相対位置を検知して、レチクル１に位置又はウエ
ハ３の位置を移動する事により、レチクル１と、
ウエハ３（チツプ）を決められた相対位置にアラ
イメントする。光源７、光導波路８、集光レンズ
９、視野絞り１０、ハーフミラー１１、アライメ
ントマーク用対物レンズ１２、ミラー１３は、照
明系を構成する。このような従来技術による装置
では、アライメント・マークのコントラストが低
いため、このマークの測定が困難になるという欠
点がある。例えば、S_iウエハ上にS_iO₂によつて形
成されたマークを検出する場合、S_iとS_iO₂との反
射率は、ほとんど等しいために、マークとウエハ
とのコントラストが低くなる。ITVによる光電
信号は、そのコントラストに応じた濃淡信号であ
るため、マークの検出が困難になる可能性があ
る。さらに、このＳ／Ｎ比の低い信号でアライメ
ントを行う場合、アライメント精度をあげるため
には信号を長時間積算処理する必要があり、この
ためアライメント速度が低下する。又、ウエハ上
のアライメント・マーク５のパターン形成状況、
及びレジストの塗布による影響などによつて信号
の形態が一様でなくなるという欠点もある。例え
ば、レジストの塗布による影響によつて、レジス
トの干渉等により、アライメント・マークが、結
像面上で、暗線となつたり、明線となつたり、或
は、マークの縁の部分で明暗が反転する等の現象
が生じる。従つて、マークの認識、マーク位置の
検出は、非常に複雑なものになつていた。

また特開昭56−12727号公報に開示されている
ように、ウエハ・アライメント・マークをスリツ
ト状照明光で走査する方式のTTLアライメント
系も知られている。しかしながら、ここに開示さ
れたTTLアライメント系では、ウエハ、レチク
ルの夫々と共役な位置に照明用スリツト板を配置
し、このスリツトの像を観察光学系（対物光学
系）を介してレチクル、又はウエハに結像する方
式である。しかも照明用スリツト板自体が一次元
移動する方式であるため、照明用スリツト板を照
明する光の分布が一様でないと、照明用スリツト
板の移動位置に応じてウエハ上のスリツト状照明
光の強度（もしくは強度分布）が変化するといつ
た不都合があつた。

そこで本発明の目的は、アライメントマーク
を、簡単な構造で確実に検出して、高速、高精度
に、ウエハとレテイクル又はマスクの位置合わせ
を行なう装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明による位置
合わせ装置では、露光用照明光の波長（例えば
436nmのｇ線）と近似した波長のレーザビーム
（例えば波長441.6nmのH_e−C_d）を射出するレー
ザ光源１８と、そのビームの断面形状を、例えば
スリツト状に成形するとともに、TTLアライメ
ント系の対物光学系４９，２４のマスク１と共役
な面にスポツトとして集光するレンズ系１９と、
このレンズ系１９からのビームをマスク１上のマ
ーク又はウエハ３上のマーク１７を横切る方向に
走査させ、その走査ビームを対物光学系４９，２
４に入射させることによつて、所定の断面形状の
ビームをマスク１と投影光学系２とを介してウエ
ハ上のマーク１７上で一次元走査する走査部材２
２と、ウエハ上のマーク１７からの反射光のう
ち、投影光学系２、マスク１を介して対物光学系
４９，２４へ入射してきた光を、瞳共役面でフイ
ルタリングする光電検出系２６，２７，２８，２
９へ分岐あする分割器５８と、対物光学系４９，
２４と走査部材２２との間であつて、マスク１と
ほぼ共役な位置に配置され、ビームのマスク１
上、又はウエハ３上での走査範囲を制限する絞り
部材４８とを設けるようにした。

次に本発明の特定の実施例について詳細に説明
する。

一般に、IC投影露光装置の投影レンズは、高
分解を得るために、１、２種の特定の波長に対し
てのみ、色収差、球面収差等を除去している。こ
の特定の波長が、露光に使用する波長となる。そ
こで実施例においては、この投影レンズの色収
差、球面収差等の影響を受けない波長の光をアラ
イメント光として、使うものとする、本発明の特
定の実施では、露光光源として、水銀ランプのｇ
線を用いるものとする。従つてｇ線で収差をとつ
た投影レンズを使用し、アライメント位置検出用
の照明光源として、H_e−C_dレーザーを採用する。
H_e−C_dレーザーの発振波長は、441.6nmで、ｇ
線の波長436nmに近似しているために、収差の影
響を除去する事ができる。このようにアライメン
ト・マーク検出用の照明光源として、露光波長に
対して数nm程度ずれたレーザー光を使う事によ
つて、レチクル面上及びウエハ面上の走査光とし
て、任意の形、こゝでは、スリツト状の細長いス
ポツト光を容易に形成する事が出来、又高輝度が
得られる。

第２図、３図は、本発明の第１の実施例による
アライメント装置の光学系を示す。第２図、３図
において、各々上方の正方形はレチクル１を上面
から見たものであり、下部の正方形はウエハ３上
のチツプ３３を上面から見たものである。また第
３図は第２図を右側面から見た図である。レチク
ル１の上方には、ｇ線の露光用光源が配置され、
レチクル１上のパターンを投影レンズ２で縮小し
てウエハ３上に投影するが、これは従来の装置と
同様である。レチクル１の周辺部には、レチクル
１とウエハ３上のチツプ３３の相対位置を検出す
るためのレチクルアライメントマーク４が設けら
れている。このレチクルアライメントマーク４
（以下、単にレチクルマーク４とする。）は、図
中、円１０１内に示した如く、２本の細長いスリ
ツト状のクロム面４ａと、２本のクロム面４ａで
挾まれた中心部４ｂとからなり、以下に述べるウ
エハアライメントマークの走査光及び回折光（戻
り光）が通るので、その中心部４ｂは白抜き、す
なわちクロムを設けずにおく必要がある。ウエハ
アライメントマーク１７は、例えば第１回目の露
光焼付けでウエハ３上の各チツプ３３に設けられ
る。尚、レチクル１とウエハ３は、投影レンズ２
を介して光学的に共役な位置関係にあるので、レ
チクルマーク４の中心部４ｂには、チツプ３３の
ウエハアライメントマーク（以下単にウエハマー
クとする。）１７が結像する。このレチクルマー
ク４とウエハマーク１７は、前述のH_e−C_dレー
ザ光の走査によつて検出する。H_e−C_dレーザ光
源１８はコリメーターレンズ系１９，２１、固定
ミラー２０を介してビーム走査用振動ミラー２
２、に達する。コリメーターレンズ系によつてレ
ーザ光ビームは、その断面が帯状に細長くされ
る。振動ミラー２２は、図中紙面上で回転振動し
ていて、レーザ光を走査する。走査されたレーザ
光は、走査の範囲を制限する視野絞り４８、対物
レンズ系４９、及びミラー２３，２４を介して、
レチクル１の上側からレチクルマーク４付近に導
びかれる。レチクル１に達したレーザ光は、振動
ミラー２２による走査方向とほゞ直交する方向に
細長く形成されたスポツト光３０となる。同時
に、このスポツト光３０は、レチクルマーク４の
細長いクロム面４ａと同一方向に細長く形成され
る、そして円１０１内のようにスポツト光３０が
レチクルマーク４上を走査して、クロム面４ａを
照射すると、ほとんどの光が反射され、中心部４
ｂを照射すると、スポツト光３０は、投影レンズ
２を通つてウエハ３上に達する、クロム面４ａで
反射された光は、レチクル１の上側（露光光源
側）に設けられた光電素子２５によつて光電検出
される。一方、中心部４ｂを透過したスポツト光
３０は、投影レンズ２で縮小され、スポツト光３
０′としてウエハ３上のウエハマーク１７を走査
する、この際、ウエハマーク１７は、スポツト光
３０′の走査方向と直交する方向、すなわち、ス
ポツト光３０′の長手方向に複数の微小線分要素
を一列にならべた、一種の回折格子を形成するよ
うなアライメントマークにする。このようにする
と、スポツト光３０′がウエハマーク１７を照射
したとき、ウエハマーク１７から回折光が生じ
る。この様子を第３図に基づいて説明する。ウエ
ハマーク１７は図中、円１０２内のような断面形
状になつていて、微小線分要素３１がスポツト光
３０′の長手方向に並んでいる。像側（ウエハ側）
テレセントリツクの投影レンズでは、ウエハ表面
での反射光は、往路と同じ光路を戻る。従つて、
ウエハマーク１７で生じた正反射光は、投影レン
ズ２を通つてレチクルマーク４の中心部４ｂに結
像する。さらに、ウエハマークで回折された回折
光のうち投影レンズ２を通つたものはレチクルマ
ーク４の中心部４ｂに結像する。例えば投影レン
ズ２のN.A.＝0.35、ウエハマーク１７の格子周期
を4μm、走査するレーザビームの波長を441.6nm
とすると、０次（正反射光）、±１次、±２次、±３
次程度の回折光が投影レンズ２を戻る。一方、ウ
エハマーク１７のない部分は、レーザ光の全反射
光、すなわち０次光のみが投影レンズ２を戻るこ
とになる。第３図中、円１０３内は、投影レンズ
２の瞳６上の回折光の様子を示し、０次光３０″
から離れた位置に、正負高次の回折光３４′，３
５′が現われる。こうして、レチクル１の中心部
４ｂに達した０次光３０′、高次光３４′，３５′
は、レチクル１を透過して、第２図に示したミラ
ー２４に入射して、レーザ光源１８への光路をた
どる。そこで、第２図で、ミラー２０から視野絞
り４８、ミラー２４までの光学系内にハーフミラ
ー等（不図示）を挿入して、ウエハマークからの
０次光、高次回折光を光電検出系の方へを分岐す
る。分岐した回折光は、第３図に示すように、結
像用対物レンズ２６によつて投影レンズ２の瞳６
を結像する。その結像面には、回折光のうち０次
光のみをカツトするフイルター２７が配置され、
高次回折光は集光レンズ２８によつて集光され、
光電素子２９に達する。

以上説明した構成において、レチクルマーク４
のクロム面４ａからの反射光を受光する光電素子
２５と、ウエハマーク１７からの高次回折光を受
光する光電素子２９の光電信号は各々、第４図、
５図に示したようになる。第４図で、前述のスポ
ツト光３０は、レチクルマーク４を矢印の方向に
走査する。この時、光電素子２５は、クロム面４
ａの位置に対応して、図のような２つのピークを
有する信号３２ａを出力する。この信号３２ａの
２つのピーク点を正確に検出することによつて、
２つのクロム面４ａの中心位置が正確に求められ
る。尚、クロム面４ａが低反射クロム面であつて
も、同様な信号が得られ、反射光量の不足、すな
わち光電素子２５への受光量不足の原因とはなら
ない。

スポツト光３０は、前述のようにレチクル１を
透過して、ウエハ上でスポツト光３０′となつて
ウエハマーク１７を走査する。先にも述べたよう
にウエハマーク１７は、第５図に示すように、微
小線分要素３１が一列に並んだ集合体である。そ
して、並びの方向がスポツト光３０′の長手方向
とほゞ並行になるように配置され、スポツト光３
０′は図中矢印の方向に走査される。スポツト光
３０′はウエハマーク１７を走査すると、光電素
子２９は図のような信号３２ｂを出力する。光電
素子２９、１次以上の回折光を受光するようにな
つているので、非常にＳ／Ｎ比の良い信号を出力
する。この信号３２ｂのピーク点を正確に検出す
ることによつて、ウエハマーク１７の中心位置を
正確に求めることができる。そして、最終的に
は、レチクルマーク４の中心、すなわち中心部４
ｂの中央に、ウエハマーク１７を合致させること
によつて、レチクル１とチツプ３３（又はウエハ
３）の相対位置合わせを行なう。このように、レ
チクル、ウエハの各アライメントマークの線方向
と直角な方向に位置合わせが可能である。

尚、ウエハ３の露光時には、位置合わせ用光学
系の一部、例えばミラー２４と光電素子２５が、
露光領域外へ退去するように可動に設けられ、ウ
エハ上の各チツプをステツプアライメントで露光
する際のスループツトを向上するように構成され
ている。

以上、本実施例では、ウエハ（又はレチクル）
上のスリツト状スポツト３０′又は３０は、走査
方向に関する強度分布が一定のままウエハマーク
（又はレチクルマーク）を走査するので、例えば
ウエハマークが走査範囲内のどこにあつても、光
電素子２９からの光電信号の波形は常に一定にな
る。さらに視野絞り４８は後で詳しく述べるが、
レチクル１と共役になつているため、振動ミラー
２２で振られたビームの振れ範囲のうち、光学的
な条件がよい部分のみを正確に取り出すことがで
きる。

第６図、７図は、本発明の第２の実施例による
アライメント装置の光学系を示す。第２の実施例
が第１の実施例と大きく異なる点は、レチクルマ
ークの形状と、レチクルマーク、ウエハマークを
走査するレーザスポツト光をレチクルの下側（投
影レンズ側）より入射していることである。第６
図、７図において、第１の実施例と同一の部材、
及び同様に動作する部分については、第２図、３
図と同一の参照付号にしてある。第６図は、第２
の実施例の正面図であり、第７図は第６図を右側
面からみた図である。レチクル１には、第６図、
７図に示したようなレチクルマーク３４が設けら
れている。レチクルマーク３４は、第７図中、円
１０４内に示すように、２本の細長いスリツト状
の白抜き（クロムを設けない）部３４ａと、２本
の白抜き部３４ａで挾まれたクロム面３４ｂとか
らなり、以下に述べるウエハマークへの走査光及
び、ウエハマークからの回折光（戻り光）がクロ
ム面３４ｂで反射される。尚、レチクルマーク３
４の線方向は、第１の実施例の場合と異なり、レ
チクル１の周辺方向に直交するように設けられて
いる。

また、ウエハ３のチツプ３３上のウエハマーク
１７も第１の実施例と同様、第６図中、円１０２
内に示すように、微小線分要素３１の集合からな
る。たゞし、ウエハマーク１７の線方向は、レチ
クルマーク３４の線方向と同一方向に設けられて
いる。

レーザ光によりレチクルマーク３４は、第１の
実施例と同様、細長いスリツト状にスポツト光３
０によつて走査される。スポツト光３０は、H_e
−C_dレーザ光源１８、コリメートレンズ系１９，
２１、固定ミラー２０を介して、ビーム走査用振
動ミラー２２に達する。振動ミラー２２は、第６
図中、紙面と直交する方向で回転振動してレーザ
光を走査する。つまり、紙面と同一面上に回転軸
を有しているが、説明上、図のように示してあ
る。走査されたレーザ光は、レチクル１（又はウ
エハ３）と光学的に共役な位置に配置された視野
絞り４８、（不要なレーザ走査領域を遮光する）
を通り、ミラー２３、レチクル１に対する対物レ
ンズ系４９、及びミラー２４を介して、レチクル
１の斜下方からレチクルマーク３４付近に導びか
れ、スポツト光３０として、レチクルマーク３４
の線方向とほゞ直交する方向に走査する。

このスポツト光３０がレチクルマーク３４を走
査すると、第７図中、円１０４に示したように、
白抜き部３４ａの所でスポツト光３０はレチクル
１の上方へ透過し、レチクルマーク３４の上方に
配置した光電素子２５に達する。一方クロム面３
４ｂの所では、レチクル１の下方、すなわち投影
レンズ２の方へ反射される。このクロム面３４ｂ
で反射されたスポツト光３０は、第１の実施例と
同様に投影レンズ２によつて、スポツト光３０′
としてウエハ３上を照射し、ウエハマーク１７を
走査する。この時、第６図中、円１０２に示すよ
うに、回折光が生じる。投影レンズ２の瞳６にお
いて、０次の回折光３０″と、１次以上の高次回
折光３４′，３５′が第１の実施例と同様に現わ
れ、これら回折光は、レチクルマーク３４のクロ
ム面３４ｂで反射されて、レーザ光の走査光学系
へ戻る。回折光は、対物レンズ系４９の一部に配
置されたハーフミラー５８によつて分岐されて、
ウエハマーク検出光学系へ導びかれる。

第１の実施例と同様に、ウエハマーク１７の回
折現象が発生する方向に照明（照射ビーム）の
N.A.（開口数）を制限する、すなわち投影レンズ
２の瞳６上で、光束を帯状に制限すると、回折光
は瞳６上で容易に各次数の回折光に分離すること
ができる。そこで、ハーフミラー５８からの回折
光は、投影レンズ２の瞳６と共役な位置６′に配
置された０次光のみを遮光するフイルター２７に
よつて、１次以上の高次回折光３４′，３５′のみ
が抽出される。この回折光３４′，３５′はレンズ
２８で集光されて、光電素子２９に達する。尚、
対物レンズ系４９の一部とレンズ系２６は、瞳６
を結像する光学系で、その結像面がフイルター２
７の位置になる。

以上説明した構成において、レチクルマーク３
４の白抜き部３４ａを透過したスポツト光３０を
受光する光電素子２５の光電信号は第８図に示す
ように生じる。第８図で、スポツト光３０は、レ
チクルマーク３４を矢印の方向に走査する。この
時、光電素子２５は、白抜き部３４ａの位置にス
ポツト光３０が重なつたとき、透過光量が最も多
くなるので、２つのピークを有する信号３２ａを
出力する。この信号３２ａは、第１の実施例と同
様である。尚、光電素子２９の光電信号、とウエ
ハ３上のスポツト光３０′の位置関係は、第５図
と同様である。光電素子２５と光電素子２９の各
出力信号３２ａと３２ｂによつて、レチクルマー
ク３４の中心、すなわちクロム面３４ｂの中央
に、ウエハマーク１７を合致させて、レチクル１
とチツプ３３（ウエハ３）の相対位置合わせが正
確にできる。尚、ウエハマーク１７以外の所にス
ポツト光３０′を照射したとき、正反射光、すな
わち０次光のみが発生するので信号３２ｂにはピ
ークが生じない。

第２の実施例において、第６図中の破線はウエ
ハ露光用の光（例えばｇ線波長）が通る領域であ
る。こゝで明らかなように、レチクル１の面に対
して斜下方からアライメント用のレーザ光を入射
しているために、露光領域内に飛び出す光学部材
は、光電素子２５だけである。一般に、位置合わ
せのための光学系は、特に厳しい配置精度を要求
される、第２の実施例のように位置合わせ用の光
学系を配置すれば、レチクル１に対するレチクル
マーク３４の位置が変わらない限り、光学系は全
く動かす必要がない。たゞし、ウエハ３への露光
時には、光電素子２５を露光領域外へ移動させる
必要がある。しかしながら、光電素子２５は前述
のようにレチクルマーク３４の白抜き部３４ａを
透過したレーザ光を受光するだけであるから、高
い精度で位置を設定する必要はない。従つて、第
１の実施例とくらべて、露光領域内の光電素子は
より高速に露光領域内への挿入、退去を繰り返す
ことが可能となる。

第９図は本発明の第３の実施例によるアライメ
ント装置の光学系を示す。第３の実施例は、第２
の実施例で露光領域内に配置した唯一の光学素子
である、光電素子２５も露光領域外に配置するよ
うにした例である。このために、第２の実施例で
示したレチクルマーク３４の白抜き部３４ａを、
ウエハマーク１７と同様に回折格子形状にして、
レーザ光のスポツト光３０の照射によつて生じる
回折光を検出するようにしてある。

レチクル１には、レチクルマーク６０が設けら
れているが、その線方向（長手方向）はレチクル
１の周辺方向と直交するように位置している。第
１０図は、レチクルマーク６０とスポツト光３０
の関係、及び光電信号を示す。第２の実施例と同
様にスポツト光３０は細長いスリツト状の断面で
あり、第１０図中、矢印の方向（スポツト光３０
の長手方向と直交する方向）に走査する。レチク
ルマーク６０は、スポツト光３０の長手方向に複
数の微小線分要素６１を並行に配列した格子部６
０ａと、第２の実施例と同様なクロム面６０ｂと
からなる。微小線分要素６１は、クロムを設けず
に白抜きにしておく。クロム面６０ｂは第２の実
施例と同様に、スポツト光３０を投影レンズ２の
方へ反射すると共に、ウエハマークからの回折光
を受けて、逆光させる。一方、スポツト光３０が
レチクル１の斜下方から格子部６０ａを照射した
とき、回折格子形状のために、回折光を生じる。
さらにスポツト光３０が完全に格子部６０ａと重
なつたとき、回折光量が最も大きくなる。この回
折光は当然、１次以上の高次回折光を含む。高次
回折光は、格子部６０ａの長手方向に広がつて生
じる。すなわち第９図において、格子部６０ａか
ら露光領域外に進む高次の回折光６２が生じる。
この回折光６２を露光領域外に配置した光電素子
６３に集光することによつて、第１と第２の実施
例と同様のレチクルアライメント用の信号３２ａ
が得られる。

この第３の実施例によれば、露光領域内には位
置合わせ用の光学系が介入していないため、露光
時に光学素子を移動させる必要がなくなり、位置
合わせ終了後、たゞちにウエハへの露光ができる
ので、さわめて高速に動作するアライメント装置
が得られる。青、光電素子６３は、レチクル１の
上方で、かつ露光領域外に配置して、レチクルマ
ーク６０からレチクル１の上方へ生じる高次回折
光を集光し受光するようにしてもよい。

第１１図によつて、本発明の各実施例に共通し
た、アライメントマークの位置検出のための信号
処理を説明する。

各実施例で説明したレーザ光の走査は、アライ
メントマーク検出用の照明光学系中の振動ミラー
２２（例えばガルバノミラー）を正弦波信号で駆
動することによつて行なわれる。そこでスポツト
光３０、スポツト光３０′は正弦振動いわゆる単
振動となるが、振動の振幅を十分に大きくして、
振動の中心部分のレーザ光で、走査するようにす
れば、時間に対して線形に近似した走査ができ
る。このため、各実施例に示したように、レーザ
光の走査中心部のみを通すような視野絞り４８が
設けられている。このように、線形に近似して走
査することによつて、正弦波走査による、走査位
置と時間の非線形性に対する補正を加える必要が
なくなる。

第１１図において、第１１図ａはレーザ光の走
査波形で、横軸に時間ｔ、縦軸に走査位置を取つ
てあり、正弦波状である。図中、点線Ａ、及びＢ
は、走査波形に対する２本の挾み込みレチクルマ
ーク（クロム面４ａ、白抜き部３４ａ、格子部６
０ａ）の位置を示し、点線Ｃはウエハマーク１７
の走査波形に対する位置を、点線Ｄは２本の挾み
込みレチクルマークの中心の走査波形に対する位
置を示す。こゝで、点線ＣとＤが一致するよう
に、レチクル１、又はウエハ３を動かすことによ
つて、レチクルマークの中心にウエハマークが位
置合わせされることになる。第１１図ｂは、レチ
クルマークを検出する光電素子２５の出力信号３
２ａを示す。信号３２ａは、各実施例で説明した
ように、レーザ光ビームのスポツト光３０の正弦
波走査（往復）によつて２つのピークレベルP_a、
P_bを交互に発生する。第１１図ｃは、ウエハマ
ークが点線Ｃの位置にあるときに、ウエハマーク
を検出する光電素子２９の出力信号３２ｂを示
し、第１１図ｄは、ウエハマークが点線Ｄの位置
にあるときの出力信号３２ｂを示す。

信号３２ａ，３２ｂは、適当な信号処理回路、
（例えば信号のピーク点を検出する回路等を含む）
によつて第１１図ｅ，ｆ，ｇのような２値化信号
に変換される。第１１図ｅは、信号３２ａのピー
ク点でデジタルなパルス信号A_p，B_pを発生し、
第１１図ｆ，ｇは、それぞれ信号３２ｂのピーク
点でデジタルなパルス信号W_pを発生する様子を
示す。このようにして得られたパルス信号A_p，
B_p，W_pの３つの信号が位置合わせのためのアラ
イメント信号となる。このパルス信号から、各ア
ライメントマークの位置を正確に検出するには、
レーザ光の走査振幅を十分大きくして、正弦波の
線形性（直線性）が一番高い所で各アライメント
マークを走査すればよい。このように、線形性の
よい部分で走査すればパルス信号A_p，B_p，W_p相
互の時間的ずれは、レチクルマークとウエハマー
クの位置差（距離）に比例して近似できる。そこ
で、パルス信号A_pとW_pまでの時間Δt₂とパルス
信号B_pとW_pまでの時間Δt₁とを検出すれば、レ
チクルマークとウエハマークの相対的な位置が求
められる。そして、Δt₁＝Δt₂になるように、レ
チクルマーク又はウエハマークを移動すれば、
（レチクル１又はウエハ３を動かす。）ウエハとレ
チクルの位置合わせが達成される。この時、パル
ス信号W_pは第１１図ｇのようになる。

尚、走査の線形近似領域が十分に広くなるよう
に、大きな振幅でレーザ光を振動させれば、ビー
ム走査の振動中心をレチクルマークの中心に一致
させる必要はない。すなわち、第１１図ａで示し
た点線ＡとＢの範囲が、正弦波の線形近似領域内
であればよい。

以上、第１、第２、第３の各実施例の説明にお
いて、レチクルマークはレチクル１上に１か所に
しか設けていなかつたが、レチクル１の周辺部
（実際の回路パターン描画領域の周辺部でもよ
い。）に同様のレチクルマークを複数設けておい
て、レチクル１とウエハ３の２方向の位置決めを
行なう。具体的には、第１２図のように、第１の
実施例で用いたレチクルマーク４を、２カ所に設
ける、２つのレチクルマーク４は、線方向が互い
に直交するように、レチクル１の周囲に設ける、
前述のように、位置合わせはレチクルマーク４の
線方向と直交する方向に行なわれるから、第１２
図のように、レチクル１の直交するXY方向に位
置合わせできる。尚、ウエハ３のチツプ３３上に
も、レチクルマーク４の位置に対応して、同じよ
うな方向に延びた複数のウエハマーク１７が設け
られている。

以下、実施例による２つのレチクルマーク（２
つのウエハマーク）を用いた位置合わせ装置を第
１３図に示す。第１３図は、特に縮小投影型露光
装置に位置合わせ装置を組み込んだ斜視図であ
る。尚、第１３図は、本発明の第１の実施例によ
る位置合わせ装置を用いたが、第２、第３の実施
例によつても同様に構成できる。

投影レンズ２の下方のウエハ３は、２次元（直
交するxy方向）に移動可能なステージ７０の上
に、回転テーブル７１を介して載置される。回転
テーブル７１は、ウエハ３のステージ７０に対す
る回転を微小範囲で変える。ステージ７０は、駆
動系７２，７３によつてxy方向に移動される。
さらに、ステージ７０の位置は、xy方向、それ
ぞれの測長手段、例えば光波干渉計７４，７５及
びステージ７０に直交するように設けられた移動
鏡７４ａ，７５ａによつて、常に計測される。

前述のようにレチクル１上には、２つのレチク
ルマーク４があるが、第１３図に示すように、そ
れぞれＸマーク、Ｙマークとする。Ｘマークは、
ウエハ３のｘ方向を、Ｙマークはｙ方向をそれぞ
れ位置合わせするために使う。レチクルのＸマー
ク、Ｙマークの各々に対応して、アライメント光
学系が配置されている。各光学系とも構成、動作
は前述の通りであるので、図中、ｘ方向のアライ
メント光学系のみ説明する。対物レンズ系４９、
ミラー２４を介して、レーザ光によるスポツト光
３０はＸマーク上を走査する。Ｘマークのクロム
面で反射したレーザ光は、光電素子２５に集光さ
れる。光電素子２５は第１１図ｂのような信号３
２ａを出力する。この信号は、以下レチクル信号
R_Xとする。Ｘマーク透過したスポツト光３０は、
投影レンズ２によつてスポツト光３０′となつて、
ウエハマークを走査する。ウエハマークからの回
折光は、再びＸマークを透過し、ハーフミラー５
８によつて分岐され、さらに０次回折光を遮光さ
れて、光電素子２９に集光される。光電素子２９
は、第１１図ｃ，ｄのような信号３２ｂを出力す
る。この信号は、以下ウエハ信号W_Xとする。

同様に、レチクル１のＹマーク、及びウエハマ
ーク（Ｙマークに対応する）を検出する光電素子
２５，２９は、各々、レチクル信号R_Y、ウエハ
信号W_Yを出力するものとする。

第１４図は、第１３図に示した装置を制御する
ための処理系を簡単に示したブロツク図である。
信号R_X，W_Xは、各々、増幅器８０，８１で増幅
された後、信号検出器８２，８３により、信号の
ピーク点が検出され、第１１図ｅ，ｆに示したよ
うなパルス信号A_p，B_p、及びパルス信号W_pから
なるアライメント信号に変換される。時間測定器
８４は、パルス信号B_pからパルス信号W_pまでの
時間Δt₁とパルス信号W_pからパルス信号A_pまで
の時間Δt₂を各々計測して、時間Δt₁、Δt₂の各々
に比例したゲート信号S₁，S₂をカウンタ８６に出
力する。ゲート信号S₁，S₂を得るためにビーム走
査用の振動ミラーの周波数に比例した判別信号S₃
を用いる。この判別信号S₃は、例えば、正弦波走
査のピーク点で立上り、下降するようなデジタル
信号でよく、振動ミラー駆動信号を入力する同期
回路８５により得られる。この信号S₃によつて、
パルス信号A_p，B_pがB_p→A_p、A_p→B_pと生じ、
時間的に、Δt₁→Δt₂、Δt₂→Δt₁と変化するのを
判別する。以上述べた各信号のタイミングは第１
５図のようになる。

カウンタ８６は、信号S₁，S₂に基づいて、各々
独立にクロツク信号を計数し、時間Δt₁，Δt₂に
比例した計数値C₁，C₂を出力する。計数値C₁，
C₂は、演算器８７によつて、C₁−C₂の演算、す
なわちΔt₁−Δt₂の演算が行なわれ、C₁とC₂の差
に応じた信号Δcを得る。信号Δcが、結局、レチ
クルマークとウエハマークのｘ方向の位置ずれ量
に比例する。

ステージ制御回路８８は、信号Δcを入力して、
Δcに応じた信号で、第１３図に示した駆動系７
２を駆動する。そこで信号Δcが位置ずれ量と同
時に、その方向も表わすようにすれば、（アナロ
グ信号の正負極性で表わす）以上、述べた処理系
によつて、レチクル１とウエハ３（チツプ３３）
はｘ方向に自動的に位置合わせされる。すなわ
ち、先にも述べたように、Δt₁＝Δt₂がほゞ零に
なるように、すなわち信号ΔC（その絶対値）が所
定の値よりも小さくなるように、駆動系７２を駆
動して、ステージ７０を移動すればよい。レチク
ル１とウエハ３（チツプ３３）はｙ方向の位置合
わせも信号R_Y，W_Yに基づいて、駆動系７３を同
様に駆動して行なわれる。

尚、演算器８７は、マイクロコンピユータの如
き、ソフトウエアで演算処理する計算器にするこ
ともできる。

以上説明した実施例において、レーザ光のビー
ム走査は振幅の大きい正弦波状に行ない、線形近
似でアライメントマークの検出信号（時間の関
数）と、各マークの位置関係を求めたが、ビーム
走査を小さな振幅にしてもよい。この場合、当
然、正弦波走査による非線形性（例えば、前述の
Δt₁，Δt₂の変化が、各アライメントマークに対
するスポツト光の走査位置の変化と比例しなくな
ること。）が生じるので、例えば信号C₁，C₂とマ
ークの位置との関係を、演算器８７のソフトウエ
ハで正弦関数を用いて、線形に計算し補正すれば
よい。尚、判別信号S₃の状態が反転する時期は、
正弦波走査のピーク点でなく、振動の中心で反転
するようにしてもよい。

以上、信号処理、位置合わせ制御を、各アライ
メントマークの位置を検出することによつて行な
つたが、小さな振幅で正弦波状にビーム走査する
場合は、同期検波方式によつても位置合わせ制御
ができる。同期検波方式では、レチクルマークを
走査するスポツト光の振幅が、レチクルマークの
範囲内になるように、ビーム走査の振幅を小さく
する。以下、第１６図により同期検波方式で各ア
ライメントマークを検出する方法を説明する。第
１６図は、第１の実施例によるレチクルマーク４
を用いた場合を示すが、第２の実施例によるレチ
クルマーク３４を用いても同様である。図中、各
波形図で、横軸に時間を取つてある。

第１６図ａは、スポツト光３０（又は振動ミラ
ー）の走査波形を示し、振動中心ｍに対して、上
側を正、下側を負とする。第１６図ｂ，ｃ，ｄ
は、レチクルマーク４の中心Ｑとスポツト光３０
の振動中心ｍとの関係、及びその時に光電素子２
５（クロム面４ａからの反射光を受光する。）が
出力する光電信号の波形を示す。第１６図ｅ，
ｆ，ｇは、ウエハマーク１７の位置と振動中心ｍ
との関係、及びその時に光電素子２９（ウエハマ
ーク１７で生じる高次回折光のみを受光する。）
が出力する光電信号の波形を示す。

尚、図中矢印は、スポツト光の走査範囲をあら
わす。

第１６図ｂは、中心Ｑが振動中心ｍに対して左
側、すなわち走査波形の正側に寄つている場合、
第１６図ｄは逆に走査波形の負側に寄つている場
合を示す。第１６図ｃは、中心Ｑと振動中心ｍが
ほゞ一致した場合である。

第１６図ｅは、ウエハマーク１７の中心が振動
中心ｍに対して左側、すなわち走査波形の正側に
寄つている場合、第１６図ｇは逆に、負側に寄つ
ている場合を示す。第１６図ｆは、ウエハマーク
１７の中心と振動中心ｍがはゞ一致した場合であ
る。

尚、レチクルマーク４を走査するスポツト光３
０の走査波形と、ウエハマーク１７を走査するス
ポツト光３０′の走査波形（不図示）は、投影レ
ンズによつて位相が反転している。

以上のようにして得られた、各々の光電信号
は、独立に同期検波され、第１６図ｈのような検
波出力を得る。第１６図ｈで、縦軸が出力の大き
さを、横軸が振動中心ｍからのずれ量を表わす。
そこで、光電素子２５の光電信号から得た検波出
力を、レチクル検波出力をウエハ検波信号とす
る。レチクル検波信号は、振動中心ｍとレチクル
マークの中心Ｑの相対的な位置を表わし、ウエハ
検波信号は、振動中心ｍとウエハマークの中心と
の相対的な位置を表わす。そして、例えば各検波
信号の零点を検出することによつて、位置合わせ
が達成できる。すなわち、振動中心ｍを基準にし
て、この中心にレチクルマーク、及びウエハマー
クの中心を合わせればよい。（レチクル検波信号
が零点になるようにレチクルを動かした後、ウエ
ハ検波信号が零点になるようにウエハを動かす。）また、レチクルマークの中心を基準として位置
合わせしてもよい。（レチクル検波信号が零点に
なるように、走査光学系中に設けたハービングガ
ラス等を回転して、振動中心ｍを動かした後、ウ
エハを動かして位置合わせする。）このように、同期検波によつて、位置合わせし
ても、高精度、高速度のTTL・オート・アライ
メントが可能である。

第１７図は、レチクル１にレチクルマークを設
けた他の実施例を示す、第１２図に示したよう
に、２つのアライメントマークによつて、直交す
る２方向の位置決めを行なうほかに、ステツプア
ンドリピート式の露光装置では、ウエハのθ回転
補正が必要とされる。この為には、レチクル１上
の３ケ所にレチクルマークを設けるとよい。この
際、ウエハ上の各チツプにも、レチクルマークに
対応して、ウエハマークが設けられる。第１７図
ａは、レチクルマークＹとレチクルマークθ（θ
回転補正の検出用）の長手方向を同一線上に設け
た例で、第１７図ｃは、レチクルマークＸとレチ
クルマークθの長手方向を同一線上に設けた例で
ある。また、第１７図ｂのように、レチクル１の
対角線上に放射状に長手方向が延びるようにレチ
クルマークを設けてもよい。

さらに、他の変更例として、ウエハマーク、又
は第３の実施例に示したレチクルマークの回折格
子を第１８図に示すように、微小線分要素を長手
方向に対して、例えば45°傾斜させて構成する。
このようにすると、回折光の回折方向が変わり、
周辺に回路パターンからの散乱、回折光と区別す
ることも可能となる。

また、第１の実施例で、レチクルアライメント
マーク４は、２本のスリツト状のクロム面と、そ
れらに挾まれた白抜きの中心部とからなつてい
る。このレチクルマークは、第１９図のようにし
てもよい。すなわち、白抜きの中心部４ｂだけに
クロムを設けずに窓状にあけておく、中心部４ｂ
の周囲はクロム面４ａによつてかこまれている。
このようなレチクルマーク４をスポツト光３０が
走査すると、光電素子２５は、中心部４ｂとクロ
ム面４ａの境界でレベルが反転するような矩形状
の光電信号を出力する。この光電信号は、適当な
検出回路により、きれいな矩形波に整形する。そ
して矩形波の下降、立上りでパルス信号を発生す
るようにすれば、前述の処理系をそのまゝ使つて
位置合わせができる。

上述した実施例で、レーザ光はH_e−C_dレーザ
光源から得るため、ウエハ上でレーザのスポツト
光３０′を走査することは、ホトレジストの感光
を意味する。従つて、ウエハ上のウエハマークと
レチクル上のレチクルマークの位置合わせをする
場合、ウエハマークは、スポツト光３０′の走査
領域内に存在することが望ましい。換言するな
ら、レチクルとウエハは、それぞれのアライメン
トマークが大まかに整合される程度にあらかじめ
位置合わせされている必要がある。このために
は、例えば、投影レンズの外側に別のアライメン
ト光学手段を設け、ウエハ上の特定のマークを検
出することによつてウエハとレチクルの相対位置
を合わせるよにすればよい。（オフ・アクシス方
式のアライメント）一般にウエハは、１つの集積回路チツプを作る
のに、異なるレチクルパターンで複数回、露光さ
れる。従つて、そのたびに本発明の実施例のよう
にTTL・ステツプ・アライメントを行なうと、
ポジレジストの場合ウエハマークは、現像、エツ
チング処理によつて除去されてしまう。そこで、
ウエハへの第１回目の露光の際に、１つのチツプ
内に複数のウエハマークをいつしよに焼き付け
る。そして、複数のレチクルの各々には、ウエハ
マークに対応するような異なる位置にレチクルマ
ークが設けられる。

また、本発明における位置合わせ装置は、投影
型の露光装置に限らず他の方式（プロキシミテイ
等）の露光装置でも適宜使用できる。

以上のように本発明によれば、絞り部材を設け
ることで光ビームのスポツトを走査部材によつて
偏向したときに起こり得る各種走査歪み（非直線
性等）の影響が発生せず、しかもビーム断面成形
用のレンズ系を通してから走査部材にビームが向
かうので走査範囲内のどの位置でも全く同一のビ
ーム強度分布は保たれるといつた利点がある。こ
のため検出信号の波形の形状が、きわめて安定
し、信号処理の簡素化、マーク位置検出の高精度
化が計れる。

尚、実施例のように、マークを回折格子状にす
ること、波長が露光開光源の波長に近似したレー
ザ光を、帯状の細長いスポツト光にすること、そ
して、回折格子状マークからの高次回折光のみを
光電検出することによつて、スポツト光を高速に
走査してもマークの位置検出はきわめて正確にな
る。

また、ビーム走査を正弦波駆動の振動ミラーで
往復走査にしているため、高速の信号検出が可能
となる。例えば振動ミラーを、1KHz程度で振動
させれば、ほゞ20〜50mSEC.で信号処理ができ
る。

アライメントマークは、レチクル上に１本、ウ
エハ上に一対の挾みマークでもよい。また、多数
本それぞれ並べても同様の処理が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術による位置合わせ装置を示
す図、第２図及び第３図は、本発明の第１の実施
例による位置合わせ装置の光学系を示す図、第４
図は第２図及び第３図示の実施例のレチクルマー
クによる光電信号を示す図、第５図は第２図及び
第３図示の実施例のウエハマークによる光電信号
を示す図、第６図及び第７図は本発明の第２の実
施例による位置合わせ装置の光学系を示す図、第
８図は、第６図及び第７図示の実施例のレチクル
マークによる光電信号を示す図、第９図は、本発
明の第３の実施例による位置合わせ装置の光学系
を示す図、第１０図は、第９図示の実施例のレチ
クルマークによる光電信号を示す図、第１１図は
本発明の各実施例に共通したアライメントマーク
の位置検出のための信号処理を説明する図、第１
２図はレチクルマークが２つ設けられたレチクル
を示す図、第１３図は２つのレチクルマークを用
いた本発明による位置合わせ装置の実施例を示す
図、第１４図は、第１３図示の装置を制御するた
めの処理系を示すブロツク図、第１５図は、第１
４図示の処理系の各信号のタイミングを示す図、
第１６図は同期検波方式で各アライメントマーク
を検出する方法を説明する図、第１７図はレチク
ルマークのレイアウトを示す図、第１８図はウエ
ハマーク、又はレチクルマークの回折格子の形状
の変更例を示す図、第１９図はレチクルマークの
変更例を示す図である。主要部分の符号の説明、転写物……１、第１の
マーク……４、転写対象物……３、第２のマーク
……１７、走査手段……２２、第１の光電手段…
…２５、第２の光電手段……２９、判別手段……
８５、ずれの方向及び量を演算する手段……８
７、転写物と転写対象物を相対的に移動する手段
……７２。

Claims

【特許請求の範囲】１マスクを特定波長の露光用照明光で照射して
該マスクのパターンを被転写体上の所定領域に結
像する投影光学系と、前記マスクの周辺に形成さ
れた第１マークと対応して、前記被転写体上の所
定領域に付随して形成された第２マークからの光
を前記投影光学系を介して検出する対物光学系
と、該対物光学系を通つた前記第２マークからの
光を前記投影光学系の瞳とほぼ共役な位置でフイ
ルタリングし、回折散乱光を抽出して光電検出す
る光電検出系とを備え、該光電検出の信号に基づ
いて前記マスクと被転写体とを相対的に位置合わ
せする装置において、前記露光用照明光の波長と近似した波長のレー
ザビームを射出するレーザ光源と；該レーザ光源からのビームを入射して、該ビー
ムを前記対物光学系に関して前記マスクとほぼ共
役な位置で所定の断面形状に集光するためのレン
ズ系と；該レンズ系からのビームを、前記第１マークと
第２マークとを横切る方向に走査するとともに、
該走査ビームを前記対物光学系に入射させること
によつて前記所定の断面形状のビームを前記マス
クと投影光学系とを介して前記第２マーク上で一
次元走査する走査部材と；前記第２マークから発生した光のうち前記投影
光学系とマスクとを介して前記対物光学系へ入射
してきた光を、前記光電検出系へ分岐する分割器
と；前記対物光学系と前記走査部材との間で、前記
マスクとほぼ共役な位置に配置され、前記所定の
断面形状のビームの走査範囲を制限する絞り部
材；とを設けたことを特徴とする位置合わせ装置。２前記第１マークと第２マークは同一方向に線
状に形成され、前記レンズ系は入射したビームを
前記第２マークの伸びた方向と同一方向に伸びた
スリツト状スポツト光に成形することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の装置。３前記絞り部材は、前記走査部材と前記分割器
との間に配置されることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の装置。４前記対物光学系は、前記マスクと絞り部材と
を結像関係にする対物レンズと、該対物レンズと
前記マスクとの間で光路を降り曲げる反射ミラー
とで構成され、前記ビームの走査によつて位置合
わせが完了した後、該反射ミラーを露光証明領域
外へ退去させるべく可動としたことを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の装置。５前記露光用照明光の波長が436nmのｇ線であ
るとき、前記レーザ光源を波長441.6nmのH_e−
C_dレーザ光源としたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の装置。