JPH0448202A - 位置合わせ光学装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、２つのマークの位置合わせ装置に係わり、特
にパターン転写に用いられるマスクとウェハとのアライ
メント調整等のために、これらに設けられたマークを位
置合わせすることに好適な位置合わせ装置に関する。

（従来の技術） 近年、ＬＳＩ等の半導体素子の回路パターンの微細化に
伴い、パターン転写手段として、高解像性能を有する光
学式投影露光装置が広く使用されている。この装置を用
いて転写を行う場合、露光に先立ってマスクとウェハと
を高精度で位置合わせ（アライメント）する必要がある
。

アライメントを行う方法としては、投影光学系とは異な
る他の光学系（ｏｆｆ−ａｘｉｓ顕微鏡）を用いて、ウ
ェハ上に予め形成したマークを検出してウェハを位置決
めし、その後ウェハを投影光学系の視野内の所定の位置
に高精度に移動させて予め正確に位置決めされたマスク
との位置合わせを行うｏｆｆ−ａｘｉｓ方式と、マスク
とウエノ＼の双方に予め形成された位置合わせマークを
投影光学系を通して検出し、直接マスクとウエノλとを
位置合わせするＴ　Ｔ　Ｌ　（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｔｈｅ
　Ｌｅｎｓ）方式とがある。

ｏｆｆ−ａｘｉｓ方式は、アライメントの回数が少ない
ため、アライメントに要する時間が少なく、スループッ
ト（処理速度）が大きいと言う利点を持つ。しかし、位
置合わせされたウエノ１を転写すべき位置まで正確な距
離だけ移動させる必要があり、他に絶対測長系を設けな
くてはならず、誤差要因が増加し、実際上高い精度で位
置合わせをすることが難しい。このような状況から、最
近では、より高精度なアライメントを行うために、ＴＴ
Ｌ方式のようにマスク及びウェハに設けられたマークを
投影光学系を通して検出し、直接アライメントする方式
がより優れていると認められている。

ＴＴＬ方式のアライメント方式の一つとして、２つのグ
レーティングマークを重ね合わせる方法（文献　Ｇ、Ｄ
ｕｂｒｏｅｕｃｑ、１９８０．　ＭＥ、　Ｗ、ＲＴｒｕ
ｔｎａ、Ｊｒ。

１９８４、５ＰＩＥ等）がある。これは、第６図に示す
ように、レチクル１１１上に一次元グレーティングマー
ク１０１が設けられ、ウェハ１１２上に二次元グレーテ
ィングマーク１０２が設けられる。アライメント光源１
０４からの光によりレチクル１１１上のマーク１０１を
照明し、透過回折光は投影レンズ１０３を通ってウェハ
１１２上のマーク１０２へ導かれる。マーク１０２によ
る反射回折光は再び投影レンズ１０３を通り、レチクル
１１１上のクレーティングマーク１０１で再度回折され
て光電横比器１０５に入る。そして、光電検出器１０５
に入射する回折光の強度を測定することにより、レチク
ル１１１とウェハ１１２の相対位置を検出するという方
法である。

この方法によれば、二つのグレーティングマーク１０１
．１０２が重なり合ったところで、回折光強度が最大と
なるので、その最大を検出する信号処理を行うことによ
ってレチクル１１１とウェハ１１２の高精度なアライメ
ントが可能となる。

（発明が解決しようとする課題） アライメント光は、マスク上に設けられた微小な大きさ
（５００Ｘ５００μｍ程度）のグレーティングマーク領
域を正確に照明され、かつ投影レンズの所定の位置、例
えば入射瞳を通り、かつまたウェハ上に設けられた微小
な大きさ（１００Ｘ１００μｍ程度）のグレーティング
マークの位置を正確な方向から照明しなければならない
。これらの所定の位置をアライメント光が正確に照明し
てはしめて高精度で信頼性の高いＴＴＬアライメントが
可能となるのである。しかし、実際にこのように光学系
を高精度にアライメント調整するのは、非常に困難であ
った。

本発明は従来の位置合わせ装置のこのような問題に鑑み
てなされたものであって、高精度の位置合わせを容易に
行うことが可能で、かつ信頼性の高い位置合わせ装置を
提供することを目的とする。

（発明の構成） 本発明は、光源からの光束を２光束に分けるビームスプ
リッタ−と、入射光を互いに僅かに異なる周波数に変調
するために該各光路に配置された変調器と、該変調器か
らの一対の変調光束を入射する第１位置合わせマークと
、該第１位置合わせマークからの変調光束を第２位置合
わせマークに導きビート光束を形成する対物レンズと、
該第２位置合わせマークからのビート光束から該位置信
号から第１位置合わせマークと第２位置合わせマークの
光学的相対位置関係を示す位置信号を形成する位置信号
形成部と、該位置信号から第１位置合わせマークと第２
位置合わせマークの位置合わせを行う位置合わせ光学装
置において、上記光源と第１マークとの間に光束を変位
させるための光束変位手段を設けることにより、上記変
調光束の第１マーク及び第２マークへの照射を調整する
ことを特徴とする位置合わせ光学装置である。

（実施例） 以下、本発明の実施例の位置合わせ装置を組込んだ光学
式投影露光装置を図に基づいて説明する。

光学式投影露光装置は、第１図に示すように、ＴＴＬ方
式位置合わせ装置を有する。すなわち、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザー光源１の光軸０１上にビームスプリッタ−２が配置
される。ビームスプリ、ツタ−２を透過した光軸０２上
には第１音響光学素子４が配置され、ビームスプリッタ
−２で反射されさらに反射鏡６で反射された光軸０３上
には第２の音響光学素子８が配置される。第１及び第２
音響光学素子４．８にはドライバー１０が接続され、各
音響光学素子４．８からはそれぞれ周波数ｆｆ２の変調
光が出力される。

光軸０２．０３上の第１及び第２音響光学素子４．８の
前方には、それぞれビームスプリ、ツタ−１０，１２が
配置される、ビームスプリッタ−１０，１２の反射光軸
０４．０５上には、第１及び第２光束変位光学系１４．
１６が配置される。

第１及び第２光束変位光学系１４．１６は同一の光学系
であって、第２図に示すように、光軸０４（Ｏｓ）上に
、偏角θｄ＝１°、プリズム頂角θＷ＝約２°、屈折率
ｎ＝１．５１４６２（θｄ＝（ｎ−１）　　・θＷ）の
楔形プリズム２個１０１．１０２を光軸０４（０６）を
中心に回転可能に配置し、さらにこの前方に２個のプレ
ーンノくラレル１０４．１０６を配置する。プレーンパ
ラレル１０４は光軸０４（Ｏ６）と直交する水平軸線Ｘ
Ｘ′を中心に回転可能に保持され、プレーンパラレル１
０６は光軸０４（０５）と直交する水平軸線ＹＹ’を中
心に回転可能に保持される。

光軸０４（０６）は、第１図に示すように、第１及び第
２光束変位光学系１４．１６を通過後、マスク２０上に
設けられたピッチＰｉの回折格子からなる第１位置合わ
せマーク２２に達する。ここでピッチＰ、は、第１及び
第２音響光学素子４．８の±１次回折光が第１位置合わ
せマーク２２に入射するように決定される。

マスク２０の下方には縮小投影レンズ２４、及びマスク
２０を焼付けるべきウェハ２６が配置される。第１位置
合わせマーク２２を通過した光軸０４．０５は縮小投影
レンズ２４を通過して、ウェハ２６に設けられたピッチ
Ｐ、の回折格子からなる第２位置合わせマーク３０に達
する。ここで、ピッチＰ、は、光軸０４．０．に沿って
入射した光束の第２位置合わせマーク３０による１次回
折光か縮小投影レンズ２４の垂直な光軸と合致するよう
に決定される。

レチクル２０と縮小投影レンズ２４との間であって、縮
小投影レンズ２４に関し第２位置合わせマーク２２と共
役な位置に、反射鏡４０が配置される。第２位置合わせ
マーク２２から反射鏡４０に至り反射鏡４０によって反
射される光軸０６上には、反射鏡４０の前方に位置合わ
せ信号検出器４２か配置される。

さらに、光軸０２上でビームスプリッタ−１０の前方に
はビームスプリッタ−６０が配置され、一方光軸０３上
でビームスプリッタ−１２の前方には反射鏡６２が配置
され、ビームスプリッタ−６０の反射光軸と透過光軸は
合致して光軸０７となる。光軸０７上でビームスプリッ
タ−６０の前方にはリファレンス信号検出器６２が配置
される。

上記構成において、位置合わせ信号検出器４２及びリフ
ァレンス信号検出器６２によって検出される信号は、周
波数差Δｆ””ｌｆｌ　　ｆ２１のビートを持つビート
信号である。例えば、ｆ、＝８０ＭＨｚ　、　ｆ　２　
＝　７９．９ＭＨｚである場合Δ　ｆ　＝　　　　８０
ＭＨｚ−７９，９ＭＨｚ　　　＝　１００ＫＨｚである
。

一方、第３図に示すように、位置合わせ信号検出器４２
によりて検出されるビート信号の位相をφ１、リファレ
ンス信号検出器４２によって検出されるビート信号の位
相をφ７とする。位相φ３、φ、の位相差Δφ−φ３−
φ、から、第１位置合わせマーク２２と第２位置合わせ
マーク３０の光学的相対位置を演算することができる。

この演算方法は、一般に光ヘテロダイン法と呼ばれるも
のである。

ところで、上記位相φ、を高精度で検出するには、第１
及び第２音響光学素子４．６から射出された変調光を、
第１位置合わせマーク２２、縮小投影レンズ２４の入射
瞳（図示せず）、第２位置合わせマーク３０に正確に入
射させることにより第２位置合わせマーク３０による回
折光を適切に重ね合わせ、十分なレベルの位置合わせ信
号を得なければならない。

すなわち、第５図（ａ）に示すように、周波数ｆ１のレ
ーザー光束が入射角α１で第２位置合わせマーク３０の
マーク領域を過不足なく照射し、周波数ｆ２のレーザー
光束が入射角α２　（＝α）で、該第２位置合わせマー
ク３０をマーク領域を過不足な（照射し、それぞれの反
射回折光束がウェハ２６と垂直をなす方向に反射され、
十分なレベルの位置合わせ信号が得られる。

一方、十分なレベルの位置合わせ信号を得られれない場
合は以下の通りである。

（１）第５図（ｂ）に示すように、周波数ｆ１のレーザ
ー光束が入射角α１で第２位置合わせマーク３０のマー
ク領域近傍を照射し、周波数ｆ２のレーザー光束も入射
角α、（＝α１）で第２位置合わせマーク３０のマーク
領域近傍を照射するが、それぞれの被照射位置が第１位
置合わせマーク２２のマーク領域に一致せず、十分なレ
ベルの位置合わせ信号が得られない。

（２）第５図（ｃ）に示すように、周波数ｉ＋のレーザ
ー光束が入射角α１で第２位置合わせマーク３０のマー
ク領域を照射し、周波数ｆ２のレーザー光束か入射角α
２　（≠α１）で第２位置合わせマーク３０のマーク領
域を照射する。従って、それぞれのレーザー光束反射回
折光束が同一方向に反射され、十分なレベルの位置合わ
せ信号か得られない。

（３）第５図（ｄ）に示すように、縮小投影レンズ２４
（第５図（ｄ）に図示せず）に収差が残存しており、第
１位置合わせマーク２２（第５図（ｄ）に図示せず）に
集光した両レーサー光束が、第２位置合わせマーク３０
のマーク領域からデフォーカス量Δｄだけずれた位置の
想像線で示す領域３０゛に入射する。従って、両レーザ
ー光束ともその全体が第２位置合わせマーク３０のマー
ク領域には入射せず、レーザー光束の反射回折光束が不
足し、十分なレベルの位置合わせ信号が得られない。

ところで、上述したように周波数ｆ、のレーザー光束と
周波数ｆ２のレーザー光束が第２位置合わせマーク３０
によって十分なレベルの位置合わせ信号か得られない場
合、楔形プリズム１０１．１０２を光軸０．．０．を中
心に回転させることによって光束を偏向させることがで
きる。

すなわち、楔形プリズム１０１．１０２の頂角をＡ１そ
れぞれの偏角方向のなす角度を２０、屈折率をｎとする
。これら楔形プリズム１０１．１０２を光軸○＋　　Ｏ
ｉを通過するレーザー光束は、楔形プリズム１０１．１
０２を光軸０４．０５の偏角方向の中間方向に、 角度δ＝　（ｎ　−１）　　・Ａ　・２ｓｉｎθたけ偏
向させられる。

また、プレーンパラレル１０４．１０６を軸線ＸＸ′、
ＹＹ′を中心に回転させることによって光束を平行移動
すなわちシフトさせることができる。例えば、ブレーン
パラレルの回転角度をθ、厚さｔ、屈折率ｎとするとき
のシフト量りは、ｎ で求められる。

従って、第４図に示すように、マスク２０上の第１位置
合わせマーク２２の微小領域において、変調光を点Ａ（
ｘ、、ｙ、）から点Ｂ（ｘｂ、ｙｂ）へ移動させたり、
点Ａ　（ｘ−、ｙａ　）に入射する変調光の入射方向を
３％　ａ　ｌ　、ａ　２のように領域Ｈの範囲で変化さ
せ、また点Ｂ　（ｘｂ、ｙ、）に入射する変調光の入射
方向をす、ｂ、、ｂ２のように領域Ｐの範囲で変化させ
ることができる。このように第１位置合わせマーク２２
への入射を調整することによって第２位置合わせマーク
３０に所定の状況でレーザー光束で入射させることがで
きる。

上記実施例においては、第１位置合わせマーク２２と第
２位置合わせマーク３０との間に縮小投影レンズ２４を
介在させていたが、縮小投影レンズ２４を使用せず、第
１位置合わせマーク２２及び第２位置合わせマーク３０
を近接させて露光させる場合にも、本発明を有効に利用
可能である。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、位置合わせ光学装
置においてアライメント光源と第１のマークとの間に光
束を変位させる光束変位手段が設けられるから、第１の
マークと第２のマークの光学的位置関係を容易に高精度
に設定することができ、第１のマークを設けたものと第
２のマークを設けたものの位置合わせを効率的に高精度
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の位置合わせ装置を組込んだ光
学式投影露光装置の光学斜視図、第２図は光束変位光学
系の光学斜視図、第３図は位置合わせ信号の位相差を示
す説明図、第４図はレーザー光束が第２位置合わせマー
クに入射する状況の斜視説明図、第５図はレーザー光束
が第１位置合わせマーク２２に入射する状況の側面説明
図、第６図は従来の位置合わせ光学装置の原理説明図で
ある。 １・・・レーザー光源 ４・・・第１音響光学素子 ８・・・第２音響光学素子 １０．１２・・・ビームスプリッタ− １４・・・第１光束変位光学系 １６・・・第２光束変位光学系 ２０・・・レチクル ２２・・・第１位置合わせマーク ２４・・・微小投影レンズ ２６・・・ウェハ ３０・・・第２位置合わせマーク ４２・・・位置合わせ信号検出器 ６２・・・リファレンス信号検出器 １０１１０２・・・楔形プリズム １０４．１０６・・・ブレーンパラレル第５図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光束を２光束に分けるビームスプリッ
   ターと、入射光を互いに僅かに異なる周波数に変調する
   ために該各光路に配置された変調器と、該変調器からの
   一対の変調光束を入射する第１位置合わせマークと、該
   第１位置合わせマークからの変調光束を第２位置合わせ
   マークに導きビート光束を形成する対物レンズと、該第
   ２位置合わせマークからのビート光束から該位置信号か
   ら第１位置合わせマークと第２位置合わせマークの光学
   的相対位置関係を示す位置信号を形成する位置信号形成
   部と、該位置信号から第１位置合わせマークと第２位置
   合わせマークの位置合わせを行う位置合わせ光学装置に
   おいて、 上記光源と第１マークとの間に光束を変位させるための
   光束変位手段を設けることにより、上記変調光束の第１
   マーク及び第２マークへの照射を調整することを特徴と
   する位置合わせ光学装置。
2. （２）上記請求項（１）記載の上記対物レンズが、第１
   マークで±１次に回折された回折変調光束を第２マーク
   に導くことを特徴とする位置合わせ装置。
3. （３）上記請求項第（１）項記載の光束変位手段が、２
   枚の平行平面板光軸と直交しかつ互いに直交する回転軸
   線を中心に回転可能に配置して構成されていることを特
   徴とする位置合わせ光学装置。
4. （４）上記請求項第（１）項記載の光束変位手段が、２
   枚の同一頂角を有するウェッジプリズムを互いに光軸を
   中心に回転可能に構成されていることを特徴とする位置
   合わせ光学装置。
5. （５）上記請求項第（１）項記載の光源が、レーザであ
   ることを特徴とする位置合わせ光学装置。