JPH0476408A - 相対変位検出方法および装置 - 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） 本発明は第１と第２の物体、特に超ＬＳＩの製造に利用
されるマスクとウェハとの相対位置合わせを実現するた
めの相対変位測定方法および装置に関する。

（従来の技術） 相対変位の検出方法として本発明者等は、第８図に示す
ような方法を先に提案している。（例えば特願昭６１−
１３５１７２号） 第８図において、Ｘ方向が位置合わせ方向、２方向がギ
ャップ検出方向である。第１の物体たるマスク１０１上
にＸ方向のピッチｐ１およびｐ２の一次元回折格子１０
２と１０３が、又、第２の物体たるウェハ１０４上には
前記回折格子のストライブ方向とは直行方向のストライ
ブを有する一次元回折格子１０５と１０６とが配置され
ている。

これらの２組の回折格子に対してレーザ光が交互に照射
された時に得られる回折光の中で、例えばＩ、（０，１
）と１２　（０，１）（位置合わせ方向に０次で、それ
と直交方向に１次）が交互に受光されＩ　と■２との差
△Ｉ−ｆｌ、（屹　１）−１２（０，１）ｌの交流成分
がその交互照射の周波数（ｆ）で同期検波される。そし
てその時の信号（第９参照）を用いてマスク１０１とウ
ェハ１０４のギャップ検出が行われていた。

しかし、この従来の方法には以下のように３つの改善す
べき問題点がある。

■　２組の（２対の）回折格子が用いられいるためこれ
ら２組の回折格子の間で照明強度の不均一性が生じると
ギャップ設定点が設計値と異なり正確なギャップ設定が
行えない。

■　ウェハに形成された２つの回折格子のそれぞれに反
射率の差が生じるとギャップ設定が前記と同様に正確に
設定できない。特に半導体の製造工程では、その製造プ
ロセス毎に所定距離離れている２つの回折格子で反射率
の異なる場合が十分考えられる。

■　２組の回折格子を配置する必要があるため、回折格
子の占有面積が大きくなってしまう。（１組の場合の２
倍以上必要。）この場合、半導体製造プロセス毎に回折
格子が必要なケースでは、回折格子を形成するスペース
が確保できなくなる。

以上のような問題点が生じていた。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来の相対位置測定においては、■　２組
の（２対の）回折格子が用いられいるためこれら２組の
回折格子の間で照明強度の不均一性が生じるとギャップ
設定点が設計値と異なり正確なギャップ設定が行えない
。

■　ウェハに形成された２つの回折格子のそれぞれに反
射率の差が生じるとギャップ設定が前記と同様に正確に
設定できない。特に半導体の製造工程では、その製造プ
ロセス毎に所定距離離れている２つの回折格子で反射率
の異なる場合が十分考えられる。

■　２組の回折格子を配置する必要があるため、回折格
子の占有面積が大きくなってしまう。（１組の場合の２
倍以上必要。）この場合、半導体製造プロセス毎に回折
格子が必要なケースでは、回折格子を形成するスペース
が確保できなくなる。

といった問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
その目的とするところは、覆接の条件の違い（例えば、
半導体の製造プロセス毎の条件の違い）に影響されずに
正確な相対位置変化の検出を可能とし、また、回折格子
の占有面積が大きくならないような相対位置検出方法お
よびその装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明においては、第１の物体に第１の回折格子および
第２の物体に第２の回折格子がそれぞれ設けられ、これ
ら第１あるいは第２の回折格子の少なくともどちらか一
方に光を照射し、第１および第２の回折格子でそれぞれ
回折して得られる回折光を受光して第１と第２の物体と
の相対変位を検出する相対変位検出方法において、前記
光を所定の２方向から前記第１あるいは第２の回折格子
に照射する工程と、 前記第１および第２の回折格子でそれぞれ回折して得ら
れる所定の回折光Ｉ　およびＩ　′をそれぞれ所定の周
波数で交互に受光して同期検波する工程と、 前記同期検波出力信号に基づいて前記第１および第２の
物体の相対変位を検出する工程と、を含むことを特徴と
している。

また、本発明においては、第１の物体に第１の回折格子
および第２の物体に第２の回折格子がそれぞれ設けられ
、これら第１あるいは第２の回折格子の少なくともどち
らか一方に光を照射し、第１および第２の回折格子でそ
れぞれ回折して得られる回折光を受光して第１と第２の
物体との相対変位を検出する相対変位検出装置において
、前記光を所定の２方向から前記第１あるいは第２の回
折格子に照射するための照射手段と、前記第１および第
２の回折格子で回折して得られる所定の回折光ｌ　お、
よびＩ　′をそれぞれ所定の周波数で交互に受光して同
期検波する受光手段と、 前記同期検波出力信号に基づいて前記第１および第２の
物体の相対変位を検出する検出手段と、を含むことを特
徴としている。

（作　　用） 上記相対位置合わせ方法及び装置においては、１組（１
対）の回折格子を用いて時間的に交互に検出光を受光す
るため、回折格子を２組み設ける必要はなく、覆接の条
件の違い（例えば、半導体の製造プロセスによる２組の
反射型回折格子のそれぞれの反射率の違い）等の影響を
請けることがなく、位置合わせ、あるいはギャップ設定
点の変動かなく相対位置検出精度が格段に向上する。

また、回折格子か１紐（１対）ですむため、回折格子の
占有面積が１／２以下となり、形成できる回折格子が２
倍以上となり、それぞれの製造プロセス毎に回折格子を
形成することができる。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

なお、以下の実施例は、相対位置合せのうちギャップ設
定（２方向の位置合せ）について詳細な説明をするが後
述するようにＸ方向の位置合せについても同様に実施で
きるものである。

第１図は、本発明の一例としての基本的な光学構成を示
すものである。第２図は、ギャップ検出に特に適した回
折格子の構成、第３図は、相対変位検出および相対位置
合わせ装置の概略構成を示す図である。

第１図乃至第３図において、相対位置を検出すべき第１
の物体たるマスク１と第２の物体たるウェハ２は、それ
ぞれマスクテーブル２４とウエノ＼テーブル２５に支持
されている。第３図に示す例ではマスク１とウェハ２は
数十μｍのギャップを隔てて対向しており、いわゆるＸ
線露光装置を想定しているものである。したがって、こ
れらテーブル装置は縦形のテーブル（縦形ステッパ）で
あってもよい。また、縮小投影露光装置に適用する場合
には、マスク１とウェハ２との間に投影レンズ（不図示
）や縮小光学系、例えば反射ミラー（Ｘ線の場合では多
層膜反射ミラー等）等、（いずれも不図示）が介在され
る。

レーザ光源６からは、例えばＰ波の偏光状態の直線偏光
の光が送出されＥ−０（電気光学変調素子）７に入射さ
れる。このＥ−０７に印加される電圧を制御することに
よりＥ−０７に入射したＰ波は、そのままＰ波の出射光
になる場合と、その偏光面が９０″だけ回転したＳ波の
出射光を切り替え制御することができる。

具体的にはＥ−０に印加される電圧Ｅが、Ｅ−０の場合
はＰ波入射＝Ｐ波出射 Ｅ−Ｅｏの場合はＰ波入射→Ｐ波出射 ただし、Ｅｏは所定の電圧、 という関係を満足している。

したがって印加電圧Ｅが ただし、ｔ：時間、Ｔ二周期、ｆ−１／Ｔ：周波数矩形
波の関数で与えられると、Ｅ−０７の出射光としてＰ波
とＳ波が周波数ｆで交互に出射される。

そしてこの出射光はウォラストンプリズム（あるいはダ
ブルウォラストンプリズムあるいはローンヨンプリズム
等）８に入射される。ここでウォラストンプリズム８は
、Ｐ波はそのまま透過させ（入射光と同じ角度で）、Ｓ
波は任意の角度αだけ傾いて透過させるという性質の光
学素子である。

次にウォラストンプリズム８の出射光は第１および第２
のレンズ９．１０へ入射する。このレンズ９．１０は同
じ焦点距離のレンズである。

そして第１　第２のレンズ９．１０を透過した光はマス
ク１の回折格子３に入射透過し、ウェハ２の回折格子４
で反射回折し、再び回折格子３を透過して受光される。

この受光は、交互に入射する光に対応して生じる回折光
のそれぞれの差（ＡＣ成分）が上記周波数ｆで同期検波
される。同期検波には同期整流回路２０（ロックインア
ンプ）が用いられる（第３図参照）。

そして受光した回折光に基づいてギャップずれを検出し
たら、例えばマスクテーブル２４の駆動機構２１へフィ
ードバックしてマスクテーブル２４を移動させギャップ
を所定の値に設定する。

この場合、ウェハテーブル２５にＺテーブルを搭載して
、ウェハテーブル２５を移動させる構成としてもよい。

次に回折格子３への光の入射から受光までをもう少し詳
しく説明する。

第１図に示した光学系の例について述べれば■　レンズ
９，１０が同じ焦点距離のものであり、 ■　ウォラストプリズム８がマスク１に形成された回折
格子３と共役位置に配置してあり、■　回折格子３のピ
ッチＰ　と入射光の入射度αとの間にｓｉｎα−２λ／
Ｐ　　（ただし、λは光の波長）の関係が成立している
ならば、光源６からＰ波が出射されれば、Ｐ波は回折格
子３の格子ピッチの０次の方向（垂直方向）、Ｓ波は２
次（角度α）の方向から交互に入射する。

ここで回折格子の構成は、ギャップ検出の場合の一例は
第２図に示すようなものであって、マスクの回折格子３
は、Ｘ方向（Ｘ方向は位置検出する場合の位置ずれ方向
）にストライブか延びる１次元回折格子、ウェハの回折
格子４は、回折格子３と直交方向にストライブが延びる
１次元回折格子である。

上記回折格子３，４の組合せでは、回折格子３に入射し
た光が透過回折し、回折格子４で反射回折し、再び回折
格子３で透過回折した光は２次元に分布する。

そして、これら２次元分布する回折光の中で、■　（１
，±１）およびＩ’（１，±１）を交互に受光する。こ
こで、１１は例えばＰ波が入射した時の回折光に対応し
、１　′はＳ波が入射しだ時の回折光に対応し、１１　
（１，±１）とは、１□　（１，１）又はＩ、（１，−
１）のどちらでもよいことを示している。

次に、１１　（１，１）を複素振幅表示で示すと・ｅ−
＋ＸＭ　　　　　・・・　（１）ここでＺ−ｙｒλ／Ｐ
ｘ２争２ Ｘ　　−２π／Ｐ　−ｘＭ Ｍ　　　　　　　　　　　ｘ であって、 λ　：先の波長 Ｐ　：マスク（第１の物体）の回折格子のＸ方向ピッチ χＭ＝マスクの回折格子のＸ方向の変位２　：マスク（
第１の物体）とウェハ（第２の物体）のギャップ ｉ：虚数単位 上記（１）式よりｕｔ　　（１，１）の強度１１　（１
゜１）は、 １１　（１，１）＝ｌｕ、、（１，１）１２＝１／８π
　　　（１＋ｃｏｓ　２２）・・・　（２）となる。

同様に、 であるから １　　’　　（１，１）−１／８π４ （１＋ｃｏｓ　６　Ｚ　）　−（４） となる。

上記式（２）および式（４）より回折光の強度１　　（
１，１）と１’（１，１）は第４図の実線と一点鎖線の
ようになる。

この実施例においては、１１　（１，１）および１’（
１，１）を交互ニＥ　−０７ノ変調周波数で同期検波す
ることによりＩ　と工　′の差、すナワチ△ｌ−１−１
’が得られ、これは第４図に破線で示されている。

第４図に示すように、回折格子３のピッチＰｘ−９μｍ
の場合、△Ｉはｚ−３２μｍで零クロスするサインカー
ブとなり、図にも示したが約±１４μｍの広い検出範囲
が得られ、しがも検出範囲は、プラスとマイナス方向で
対象であるため、マスクとウェハとが予めギャップ設定
点に対して±１４μｍの誤差にプリアライメント（粗位
置合せ）されていれば、３２μｍのギャップに精密に設
定することが可能となる。

このように、検出範囲が対称で広い範囲にとれることが
本発明の特徴である。

なお、ギャップ検出の実施例にって、上記実施例も種々
変形して用いることができる。

まず、第１図と同一光学構成の場合には、ウォラストン
プリズム８をわずかに回転して配置し、入射光の方向を
０次と２次の方向から例えば１次と３次の方向にするこ
ともできる。０次と２次の場合受光光は１次（（０＋２
）／２−１）であったが、１次と３次の場合受光光は２
次（（１＋３）／２−２）となる。

また、光源６としては、直線偏光の光を出すレーザ光源
、あるいはランダム偏光の光を出す光源と偏光子の組合
せ等がある。

また、前記し５た特定の２方向から入射する光がともに
円偏光となるように、ウォラストンプリズム８の後段等
（後段に限定されない）に、２枚の位相板（λ／４波長
板）等を設置すると次の効果が得られる。

すなわち、円偏光の入射光となるため例えば第２の物体
としてウェハが用いられた場合、同一プロセス内におい
てもわずかな場所の違いでわずかな反射率が異なるが、
円偏光としたことにより反射率の影響をまったく受けな
くなり、相対位置検出がさらに安定して精度良く行なえ
る。

なお、上記実施例において、ギャップ検出に適用される
回折格子の組合として、第２図に示すものは位置合せと
は無関係（位置ずれの影響を受けない）の例であるが、
第５図に示す１次元と２次元の回折格子の組合せでも同
様の作用・効果が得られ、単にギャップを検出するだけ
であれば、これらの組合せにも限定されない。

次に位置ずれ検出の実施例について説明する。

基本的な構成は、第１図および第３図と同様であって、
受光される回折光の中に位置ずれの情報が含まれていれ
ばよい。

したがって、回折格子３，４の組合せを位置ずれ情報が
得られるような組合せにすればよく、その−例を第６図
に示す。マスク（第１の物体）の回折格子３は先の実施
例と同様の１次元回折格子であって、ウェハ（第２の物
体）の回折格子４は市松状回折格子である。これらの回
折格子の組合せ以外にも位置ずれの情報を含む回折格子
の組合せは種々あるが、上記組合せを設いればギャップ
と無関係（キャップずれの影響を受けない）に位置ずれ
検出が実行でき、その結果、高精度な位置合せが実行で
きる。上記回折格子の組合せでは検出光１．１２’はＩ
２　（０，±１）および１２′　（０±１）が検出され
て位置ずれが検出できる。

なお、本発明は、マスク（第１の物体）・とウェハ（第
２の物体）との間に光学系が介在さ、れる場合にも、基
本的には第１図と第３図の構成において、マスク１とウ
ェハ２の間に光学系を挿入してそのまま適用できるが、
種々変形して用いることもできる。例えば、第７図は、
マスク１とウェハ２との間に投影レンズ４０が介在され
ているが、アライメント光は、最初にウェハ２に設けら
れた回折格子４に導かれ、反射回折し、その後、マスク
１の回折格子３に導かれて透過回折して受光されるよう
にしてもよい。

なお、本発明全般において、上述の実施例においては２
方向からの入射光を切り替えて照明しているが、本発明
の主旨としては、２方向からの入射光は切り替えずに連
続同時照射で、受光側で選択的に切り替えて受光すれば
（公知の選択的受光手段でよい。）上記実施例と同様の
作用・効果が得られるもので、本発明はその要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して用いることができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、１組（１対）の回
折格子で変位が検出できるため、回折格子の反射率の変
動を受けに＜＜、高精度な変位検出が行なえると共に、
回折格子の占有面積が少なくてすむため、プロセス毎に
多数の回折格子を形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の相対変位検出装置に適用される光学
系の一例を示す模式図、第２図は、本発明の相対変位検
出に利用される回折格子の一例を示す図、第３図は、本
発明の相対変位検出および相対位置合せ装置の一例を示
す概略図、第４図は、本発明の相対変位検出装置で得ら
れる変位検出信号の特性図、第５図乃至第７図は、本発
明の相対変位検出装置の変形例を示す概略図、第８図は
、従来のギャップ検出の説明図、第９図は、従来のギャ
ップ検出の特性図である。 １・・・マスク（第１の物体）、２・・・ウェハ（第２
の物体）、３・・・回折格子（第１の回折格子）、４・
・・回折格子（第２の回折格子）、６・・・光源、７・
・・Ｅ−０（電気光半調素子）、８・・・ウォラストン
プリズム、９，１０・・・レンズ、２０・・・受光手段
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）第１の物体に第１の回折格子および第２の物体に
   第２の回折格子がそれぞれ設けられ、これら第１あるい
   は第２の回折格子の少なくともどちらか一方に光を照射
   し、第１および第２の回折格子でそれぞれ回折して得ら
   れる回折光を受光して第１と第２の物体との相対変位を
   検出する相対変位検出方法において、 前記光を所定の２方向から前記第１あるいは第２の回折
   格子に照射する工程と、 前記第１および第２の回折格子でそれぞれ回折して得ら
   れる所定の回折光Ｉ＿１およびＩ＿１′をそれぞれ所定
   の周波数で交互に受光して同期検波する工程と、 前記同期検波出力信号に基づいて前記第１および第２の
   物体の相対変位を検出する工程と、を含むことを特徴と
   する相対変位検出方法。 （２）前記光を２方向から照射する工程は、前記光を２
   方向から交互に前記所定の周波数で照射する工程を含ん
   でいることを特徴とする請求項１に記載の相対変位検出
   方法。 （３）前記同期検波する工程は、同一次数の前記回折光
   Ｉ＿１およびＩ＿１′を受光する工程を含んでいること
   を特徴とする請求項１に記載の相対変位検出方法。 （４）前記光を２方向から照射する工程は、２方向から
   照射される光の一方はＰ波、他方はＳ波に偏光面を調整
   する工程を含んでいることを特徴とする請求項１に記載
   の相対変位検出方法。 （５）前記光を２方向から照射する工程は、２方向から
   照射される光がそれぞれ円偏光となるように偏光状態を
   調整する工程を含んでいることを特徴とする請求項１に
   記載の相対変位検出方法。 （６）前記光を２方向から照射する工程は、一方の光が
   ｐ次の方向、他方がｑ次の方向から照射され、前記同期
   検波する工程は、受光する回折光Ｉ＿１およびＩ＿１′
   として、（ｐ＋ｑ）／２次の方向の光を受光する工程を
   含んでいることを特徴とする請求項１に記載の相対変位
   検出方法。 （７）前記相対変位を検出する工程は、前記それぞれの
   回折格子の平面に沿う方向の変位を検出する工程を含ん
   でいることを特徴とする請求項１に記載の相対変位検出
   方法。 （８）前記相対変位を検出する工程は、前記それぞれの
   回折格子の平面に沿う方向とは直行する方向の変位を検
   出する工程を含んでいることを特徴とする請求項１に記
   載の相対変位検出方法。 （９）前記相対変位を検出する工程の後、前記相対変位
   が所定の値となるように前記第１あるいは第２の物体の
   位置を調整する位置調整の工程をさらに有することを特
   徴とする請求項７あるいは請求項８に記載の相対変位検
   出方法。 （１０）第１の物体に第１の回折格子および第２の物体
   に第２の回折格子がそれぞれ設けられ、これら第１ある
   いは第２の回折格子の少なくともどちらか一方に光を照
   射し、第１および第２の回折格子でそれぞれ回折して得
   られる回折光を受光して第１と第２の物体との相対変位
   を検出する相対変位検出装置において、 前記光を所定の２方向から前記第１あるいは第２の回折
   格子に照射するための照射手段と、前記第１および第２
   の回折格子で回折して得られる所定の回折光Ｉ＿１およ
   びＩ＿１′をそれぞれ所定の周波数で交互に受光して同
   期検波する受光手段と、 前記同期検波出力信号に基づいて前記第１および第２の
   物体の相対変位を検出する検出手段と、を含むことを特
   徴とする相対変位検出装置。 （１１）前記照射手段は、 前記光を発生する光源手段と、 前記光を前記所定の２方向に分離するための光学手段と
   、 から成ることを特徴とする請求項１０記載の相対変位検
   出装置。 （１２）前記光源手段は、Ｐ波あるいはＳ波のどちらか
   の直線偏光の光りを発生すものであることを特徴とする
   請求項１１記載の相対変位検出装置。 （１３）前記光学手段は、前記光を２方向に分離すると
   共に前記回折格子に交互に照射させるためのスイッチン
   グ手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の
   相対変位検出装置。 （１４）前記光学手段は、ウオラストンプリズムあるい
   はダブルウオラストンプリズムあるいはローションプリ
   ズムであることを特徴とする請求項１１記載の相対変位
   検出装置。（１５）前記スイッチング手段は、Ｅ−Ｏ（
   電気光学変調素子）を含むことを特徴とする請求項１３
   記載の相対変位検出装置。 （１６）前記光源手段は、 ランダム偏光の光を発生させる光源と、 前記ランダム偏光の光りをｐ波あるいはｓ波のどちらか
   の直線偏光の光に変換する偏光光学系と、から成ること
   を特徴とする請求項１１記載の相対変位検出装置。 （１７）前記スイッチング手段は、Ｅ−Ｏに入射した直
   線偏光の光の偏光面をそのまま通過させる第１の電圧と
   、前記偏光面を９０度回転させる第２の電圧とを前記所
   定の周波数で切り替え印加する電圧制御手段を含むこと
   を特徴とする請求項１５記載の相対変位検出装置。 （１８）前記光学手段は、前記所定の２方向から照射さ
   れる光が共に円偏光になるようにする手段を含むことを
   特徴とする請求項１１記載の相対変位検出装置。