JPH05152186A - 測定装置及び露光装置及び露光装置の位置決め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被検対象であるパターンの間隔を高精度に測
定する。 【構成】 基準となるパターンが設けられているマスク
とオートアライメント検出系を内蔵する筐体１２に対
し、被検対象であるパターンを有するウエハ２を移動可
能とし、オートアライメント検出系の信号と移動量測長
器２３を基にウエハ２のパターン間隔の測長を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子製造
用の露光装置によって作成されるパターンの間隔を高精
度に測定する測定装置及び露光装置及び露光装置の位置
決め方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子製造用の電子線、光
束、Ｘ線露光装置によって作成されるパターン間隔の測
定は、その露光装置とパターン作成時のプロセス等がも
たらす寸法歪みを高精度に評価する上で極めて重要であ
る。例えば、光ステッパ等では現在多く使用されている
ステッパのレチクルをウエハ上に縮小結像する光学系等
の投影系の歪、熱やウエハを移動するステージの不正確
さに伴う歪が、ウエハ上に焼き付られたパターンとして
現れる。現今のように、パターン線幅をサブミクロンと
する高い集積度を要求される状況にあっては、これらの
歪測定も更に１桁小さい０．０１μｍ以下のオーダが求
められ、これに対応したパターン間の寸法測定手段が必
須となっている。

【０００３】従来からパターン間の測長方法としては、
図２１(a) に示すようなウエハＵ上のパターンＰに光束
を細く絞って投光し、パターンＰのエッジからの散乱光
を観察する方法などが行われている。即ち、被検物であ
るウエハＵ上の被測定パターンＰに垂直方向に、集束さ
せたレーザー光Laを走査し、エッジで生ずる散乱光を一
対の検出器D1、D2で検出して、図２１(b) に示すように
レーザー光Laの走査距離から線幅ＷやパターンＰ間の距
離を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実際のウエ
ハプロセスで問題となるレジストパターン等では、明確
なエッジを持ったパターンとは限らず、むしろ輪郭が不
鮮明なエッジの場合が多く、測定値と真値の間で０．１
〜０．２μｍにも及ぶ誤差を生ずる場合があり、焼付光
学系の歪をパターン間の寸法によって評価するという目
的が十分に得られず、精度的に不十分な場合がまま生ず
ることがある。

【０００５】本発明の目的は、上述の従来例の欠点に鑑
み、レジストパターン等においても常に高精度なパター
ン間測長が可能になる測長装置、及びそのような測長機
能を持つ露光装置、及びその測長を用いて露光装置の位
置決めを高精度に実施できる位置決め方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る測長装置は、複数のアライメントパタ
ーンを有する被検対象としての第１の物体と基準となる
アライメントパターンを有する第２の物体とに関して、
前記アライメントパターン同志の整合状態を光学的に検
出するアライメント検出手段と、前記第１の物体と第２
の物体とを相対的に移動する移動手段と、該移動手段の
移動量を測定する測長手段とを具備し、前記第１物体の
複数のアライメントパターンの内の少なくとも幾つかと
前記第２の物体のアライメントパターンとの前記アライ
メント検出手段による整合状態の検出と、前記測長手段
による測定とからパターン間測長を行うことを特徴とす
るものである。

【０００７】上記特定発明に関連する本発明に係る露光
装置は、複数のアライメントパターンを有する被検対象
としての第１ 物体と基準となるアライメントパターン
を有する第２の物体とに関して、前記アライメントパタ
ーン同志の整合状態を検出し、その結果に基づいて前記
第１物体と第２物体とを整合して露光を行う露光装置に
おいて、前記整合状態を検出するアライメント検出手段
と、前記第１の物体と第２の物体とを相対的に移動する
移動手段と、該移動手段の移動量を測定する測長手段と
を具備し、前記第１物体の複数のアライメントパターン
の内の少なくとも幾つかと前記第２の物体のアライメン
トパターンとの前記アライメント検出手段による整合状
態の検出と、前記測長手段の測定とからパターン間測長
を行うことを特徴とするものである。

【０００８】また、上記特定発明に関連する本発明に係
る露光装置の位置決め方法は、複数のアライメントパタ
ーンを有する被検対象としての第１の物体と基準となる
アライメントパターンを有する第２の物体とに関して、
前記アライメントパターン同志の整合状態を検出し、そ
の結果に基づいて前記第１物体と第２物体とを整合して
露光を行う装置に関し、該露光装置を用いて前記第１物
体に前記複数のアライメントパターンを形成する形成工
程と、前記形成工程により形成された前記第１物体の複
数のアライメントパターンのうちの少なくとも幾つか
と、前記第２物体のアライメントパターンと同様のアラ
イメントパターンを有する基準物体のアライメントパタ
ーンとの整合状態の順次の検出を行う検出工程と、前記
検出工程時の前記第１物体と基準物体との相対移動量の
測定を行う測定工程と、前記検出工程と測定工程とから
パターン間測長を行うパターン測長工程と、該パターン
測長工程の結果に基づいて前記露光装置の位置決めを行
う位置決め工程とを有することを特徴とする。

【０００９】

【作用】上述の構成を有する測定装置及び露光装置及び
露光装置の位置決め方法は、被検対象であるアライメン
トパターンを有する第１の物体と基準となるパターンを
有する第２の物体とを相対的に移動しながらオートアラ
イメント検出手段によりずれ量を検出し、所定のずれ量
が得られる移動量を測定してパターン間隔を求める。

【００１０】

【実施例】図１のエッジ散乱光の検出機能に相当する光
プローブとして、オートアライメント機能を利用する点
が上述の構成の第１の特長であるが、このようなオート
アライメントの検出機能を行う方法としては、次に挙げ
るような方法が知られている。

【００１１】(1) 本出願人が既に出願済であるオートア
ライメント方式の回折光に集光作用を持たせたゾーンプ
レートパターンによりアライメンを行う方法。

【００１２】(2) 特開昭６３−３８１０２号公報、同６
４−８９３２３号公報に開示されているような、マスク
とウエハに直接格子を設け、それぞれの回折光によって
もたらされる特定の光の強度を検出してアライメントを
行う所謂２重回折格子法。

【００１３】(3) Optional Engineering March/April 1
983 VOL.22 No.2 p.203〜に発表されているような、マ
スクとウエハ上にそれぞれゾーンプレートを設け、それ
ぞれからの回折光を検出してアライメントを行う方法。

【００１４】(4) Joarnal of Vacume. Science and Tec
hnology16(6)Nov/Dec.1979 p.1954〜及び特開平１−１
０８７４１号公報に記載されているような、マスク上に
シリドリカルレンズと同じ作用の回折光を発生するグレ
ーティングを設け、ウエハ上に点列格子パターンを設
け、マスク上とウエハ上のパターンの回折を介して得ら
れる光の強度を検出してアライメントを行う方法。

【００１５】(5) 特開平１−１０１６３０号公報、同２
００６２０号公報、同１９１４２１号公報に開示されて
いるような、マスクとウエハ上に設けられたパターンを
画像として光学系で画像センサに結像し、画像処理によ
りずれを検出するアライメント方法。

【００１６】これらのアライメント方法に共通している
ことは、次の通りである。 (イ) マスクとウエハという２つの位置合わせをする物体
上に、何れもパターンが設けられている。

【００１７】(ロ) マスクとウエハが一致した状態を判定
する検出信号を得ており、その検出精度が０．０１μｍ
或いはそれ以下の高精度であること。

【００１８】(ハ) マスクとウエハ上のパターンは、例え
ば５０μｍ×２０μｍ以上或いは２μｍ×５０μｍ以上
ある一定のパターンエリアの上に設けられており、これ
らのパターンエリアの平均的なパターンのでき具合によ
り、信号の値が決定されること。

【００１９】(ニ) パターンのエッジのできが完全でな
く、少しだれていてもその影響は回折効率として信号の
絶対強度に効いていくるので、これのために精度の低下
を招き難い。従って、図１の方法に比べて、パターンの
位置、寸法測長にとってより高精度化を達成し易いこ
と。

【００２０】以下に、本発明を図１〜図２０に図示の実
施例に基づいて詳細に説明する。図１はマスク１とウエ
ハ２上に設け、回折光がレンズと同じ作用をするゾーン
プレートから成るパターンにより得られるスポットの間
隔により、マスク１とウエハ２の位置ずれ検出を行う検
出原理の説明図である。マスク１及びウエハ２には、第
１の信号光束B1を得るためのアライメントマーク１ａ、
２ａがそれぞれ設けられ、更に第２の信号光束B2を得る
ためのアライメントマーク１ｂ、２ｂがそれぞれ設けら
れている。各アライメントマーク１ａ、１ｂ、２ａ、２
ｂは一次元又は二次元のレンズ作用を有する例えばフレ
ネルゾーンプレートやグレーティングレンズから成る物
理光学素子の機能を有している。アライメントマーク１
ａ、２ａ及び１ｂ、２ｂに対向して第１及び第２の信号
光束B1、B2をそれぞれ検出するための第１及び第２の検
出部３、４が設けられており、これらの検出部３、４と
ウエハ２からの光学的な距離を説明の便宜上同じ値のＬ
とする。更に、マスク１とウエハ２との間隔をδ、アラ
イメントマーク１ａ、１ｂの焦点距離をそれぞれfa1 、
fa2 とし、マスク１とウエハ２の相対位置ずれ量をεと
し、そのときの検出部３、４における第１及び第２の信
号光束B1、B2の重心の合致状態からの変位量をそれぞれ
S1、S2とする。なお、マスク１に入射するアライメント
光束は便宜上平面波であるとする。また、便宜上光束B
1、B2はアライメントマークを透過回折するものとして
示している。

【００２１】信号光束B1、B2の重心の変位量S1、S2は、
アライメントマーク１ａ及び１ｂの焦点位置F1、F2とア
ライメントマーク１ａ、１ｂの光軸中心を結ぶ直線と、
検出部３、４の受光面との交点として幾何学的に求めら
れる。従って、マスク１とウエハ２の相対位置ずれに対
して、各信号光束B1、B2の重心の変位量S1、S2を互いに
逆方向に得るためには、アライメントマーク１ａ、１ｂ
の光学的な結像倍率の符号を互いに逆とすることにより
達成できる。また、定量的には、 S1＝−{(Ｌ−fa1 ＋δ) ／(fa1−δ)}・ ε S2＝−{(Ｌ−fa2 ＋δ) ／(fa2−δ)}・ ε と表すことができ、ずれ倍率として、β1 ＝S1／ε、β
2 ＝S2／εと定義できる。

【００２２】従って、ずれ倍率を逆符号とするには、 ( Ｌ−fa1 ＋δ)(fa2 −δ）／{(Ｌ−fa2 ＋δ)(fa1 −δ)}＜０ の条件を満足すればよい。このうち、実用的な構成条件
の１つとして、次の条件がある。 Ｌ≫｜fa1 ｜ fa1 ／fa2 ＜０ ｜fa1 ｜＞δ ｜fa2 ｜＞δ

【００２３】即ち、アライメントマーク１ａ、１ｂの焦
点距離fa1 、fa2 に対して、検出部３、４までの距離Ｌ
を大きく、かつマスク１、ウエハ２の間隔δを小さく
し、更にアライメントマーク１ａ、１ｂの何れか一方を
凸レンズ、他方を凹レンズとする構成である。

【００２４】図１の図面上側にはアライメントマーク１
ａにより入射光束を集光光束とし、その集光点F1に至る
前にアライメントマーク２ａに光束を照射し、これを更
に第１の検出部３に結像させている。この場合のアライ
メントマーク２ａの焦点距離fb1 は、次のレンズの式を
満たすように定められる。 １／（fa1 −δ）＋１／Ｌ＝−１／fb1

【００２５】同様に、図１の図面下側にはアライメント
マーク１ｂにより入射光束を入射側の点であるF2から発
散する光束とし、これをアライメントマーク２ｂを介し
て、第２の検出部４に結像させる。ここで、アライメン
トマーク２ｂの焦点距離fb2は、次式を満足するように
定められる。 １／（fa2 −δ）＋１／Ｌ＝−１／fb2

【００２６】以上の構成条件により、アライメントマー
ク１ａ、２ａの集光像に対する結像倍率は、図１から明
らかに正の倍率であり、ウエハ２のずれ量εと検出部３
の光点変位量S1の方向は逆となり、先に定義したずれ倍
率β1 は負となる。同様に、アライメントマーク１ｂの
点像（虚像）に対するアライメントマーク２ｂの結像倍
率は負であり、ウエハ２のずれ量εと検出部４上の光点
変位量S2の方向は同方向で、ずれ倍率β2 は正となる。
従って、マスク１とウエハ２の相対ずれ量εに対して、
アライメントマーク１ａ、２ａの系とマーク１ｂ、２ｂ
の系の信号光束ずれS1、S2は互いに逆方向となる。

【００２７】図２は配置図であり、図１と同じ部材は同
じ符号で表し、マスク１とウエハ２のずれの量と検出部
３、４の出力信号の差、即ち信号光束B1、B2の検出部
３、４上の入射位置のオートアライメント方向であるｘ
方向の間隔の関係を模式的に示している。各アライメン
トマーク１ａ、１ｂと２ａ、２ｂは、それぞれマスク１
の面上とウエハ２の面上のスクライブライン１ｃ、２ｃ
上に設けられている。アライメントマーク１ａ、１ｂ、
２ａ、２ｂは、図３に示すようにそれぞれ異なった値の
焦点距離を有するフレネルゾーンプレート又はグレーテ
イングレンズから成っている。これらのマーク１ａ〜２
ｂの寸法は、それぞれスクライブライン１ｃ、２ｃの方
向（ｘ方向）に５０〜３００μｍ、スクライブライン１
ｃ、２ｃの幅方向（ｙ方向）に２０〜１００μｍが実用
的に適当な寸法である。

【００２８】第１の信号光束B1、第２の信号光束B1は、
ピックアップ筐体内の光源から出射し、所定のビーム径
にコリメートされている。光源には半導体レーザー、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザー等のコヒーレント光束
を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレント
光束を放射する光源等が用いられ、第１、第２の信号光
束B1、B2をそれぞれ受光する検出部３、４は一次元ＣＣ
Ｄから構成されている。

【００２９】本実施例では、信号光束B1、B2はそれぞれ
マスク１の面上のアライメントマーク１ａ、１ｂに所定
の角度で入射した後に透過回折し、更にウエハ２の面上
のアライメントマーク２ａ、２ｂで原理図とは異なり反
射回折し、更にマスク１を通過して検出部３、４の位置
３ａ、４ａに入射している。そして、検出部３、４でこ
れらの面上に入射した信号光束B1、B2の重心位置を検出
し、この出力信号、例えば変位量の差S1−S2の値を用い
てマスク１とウエハ２のパターン１ａ、１ｂ、２ａ、２
ｂについての位置ずれ検出を行っている。具体的には、
例えば式ε＝(S1 −S2) ／( β1 −β2)を用い、求めた
S1−S2の値からずれ量εを算出する方法を用いる。

【００３０】なお、ずれ量εがＯの場合の光束B1、B2の
重心位置つまり検出部３、４からの出力信号の同定は、
別途実焼評価等によって例えばマスク１とウエハ２間の
状態を確かめておき、これらのサンプルにおける信号、
値をずれ量ε＝Ｏとして決定すればよい。例えば、２光
束の各検出部入射位置のＸ方向間隔を求め、このときの
間隔値をS1−S2＝０の場合の基準間隔とし、実際の測定
時に得られる間隔の基準間隔からの変動量をS1−S2の値
とする。

【００３１】図４はこの位置ずれ検出をプロキシミティ
型半導体製造装置に適用した本発明の第１実施例の装置
周辺部分の構成図を示し、ウエハ２はウエハステージ５
上に載置されている。マスク１の斜め上方にはピックア
ップ筐体６が配置され、筐体６内にはコリメータレンズ
（又はビーム径変換レンズ）７、投射光束折り曲げミラ
ー８を介して、第１、第２の信号光束B1、B2をマスク
１、ウエハ２に投光するための光源９が設けられ、更に
検出部３、４が内蔵されている。光源９からの光束はレ
ンズ７を通りミラー８で反射し、マスク１、ウエハ２を
経由し、今度はミラー８を透過して検出部３、４に至
る。検出部３、４の出力は位置ずれ信号処理部１０に接
続され、処理部１０の出力はウエハステージ駆動部１１
を介してウエハステージ５を、位置ずれが０になるよう
に動かすようにされている。このようにして、マスク１
とウエハ２の位置合わせが行われる。そして、この位置
合わせされた状態で、焼付露光が行われることになる。

【００３２】この場合においても、マスク１とウエハ２
の相対位置ずれ量の検出は、先に説明したようにして行
われる。マスク１とウエハ２がずれ量εに対して検出部
３、４上への入射位置の移動距離を１００・ε〜５００
・εといった高倍率に設定でき、例えばマスク１とウエ
ハ２の移動量に対する入射位置の移動倍率を５００倍に
選択すれば、検出部３、４上で１μｍの移動量を検出す
ると、マスク１とウエハ２のずれ量εでは１／５００＝
０．００２μｍの検出が可能となり、高精度のアライメ
ントずれの検出が達成できる。

【００３３】図５は面間隔測定部を含む実施例の部分構
成図であり、図２、図４に示したものと同部材は同じ符
号を付してあるが、図５における筐体６及びその内部の
部材、つまり検出部３、４、光源９、レンズ７、ハーフ
ミラー８は、図５のアライメント用の筐体６及びその内
部部材と、機能、構成は同じの測長用の別設部材であ
る。

【００３４】被検物であるウエハ２の上方には、アライ
メント光学系とマスク１とを一体にして、ウエハ２と相
対的に移動可能とするようにした筐体１２が設けられて
いる。マスク１と同じマーク１ａ、１ｂを有する測長用
の筐体１２内には、マスク１’とウエハ２の間隔を測定
するための面間隔測定器１３が設けられており、この面
間隔測定器１３はレンズ系１４、ＣＣＤカメラ１５、レ
ンズ駆動系１６とレンズ駆動量を測定するための変位計
１７から成っている。マスク１’のマーク１ａ、１ｂと
面間隔測定器１３との関係は同一の筐体１２内に固定さ
れているため、予め組立調整時に実測により求められて
いる。

【００３５】図６はこの実施例の斜視図であり、ウエハ
２はウエハチャック１８により吸着され、一軸方向にガ
イド１９に沿って移動可能なウエハステージ５上に載置
されている。なお、ｙ軸方向の移動機構は省略してある
が、ｙ軸方向に動かす場合には、ステージ５の下に更に
ｙ軸方向に可能なステージとｙ軸方向の移動距離を測定
する測長器を付設すればよい。移動測長を測定するため
にステージ５の上には反射ミラー２０が取り付けられ、
このミラー２０にはプリズム２１を介して測長用の光源
２２からの光束が投影され、その反射光はプリズム２１
を介して干渉計である測長器２３に入射し、その出力は
そのままｘ軸方向のステージ５の移動量として表示器２
４に表示される。

【００３６】以下に、パターン測長の実施方法を説明す
る。ウエハ２上には或る間隔をおいて、アライメントマ
ーク２ａ、２ｂに相当するパターンが、W1、W2、W3、・
・・として焼付けられている。このパターンW1、W2、W
3、・・・を焼付けた露光装置の焼付け歪やプロセス上
の歪の量は、マスク１’を有する筐体１２に対してステ
ージ５を動かして、マスク１’のパターンとウエハ２の
パターンW1、W2、W3、・・・同志を順次に合わせて、ア
ライメント信号がずれ量Ｏの信号を示す時のウエハステ
ージ５の移動量を順次に測長器２３の出力として得こと
ができる。つまり、ウエハ２のパターンW1、W2、W3、・
・・の間隔長は、アライメントの検出誤差と測長器２３
の検出誤差を合算した誤差（ただし共に高精度なので微
小）を持って計測されることになる。

【００３７】ここで、アライメントマーク１ａ、１ｂに
相当するパターンを有するマスク１’は筐体１２に設け
られ、ウエハ２上にはアライメントマーク２ａ、２ｂと
してパターンW1、W2、W3、・・・が設けられているとし
たが、この場合にはパターンの面内ずれの検出能力はあ
るが、マーク１ａ、１ｂとマーク２ａ、２ｂの面間隔検
出機能はないため、筐体１２に面間隔測定器１３が付加
されている。設定されたマスク１’のアライメントマー
ク１ａ、１ｂとウエハ２のアライメントマーク２ａ、２
ｂの間隔に対応して、マーク２ａ、２ｂにピントが合う
ようにレンズ系１４が所定の位置に設けられており、マ
ーク２ａ、２ｂの画像が鮮明になるように、図６の図示
しない上下方向駆動系によりウエハチャック１８全体を
上下動させればよい。なお、面間隔測定器１３は筐体１
２の内部でなく外部に設けてもよい。

【００３８】また、図５に示す面間隔測定器１３を使用
せずに、本出願人が既に出願済の面間隔検出方法を用い
ることもでき、マークをアライメント用だけでなく面間
隔用にも設けて、図５に示すマスク１’上に設ければよ
い。この面間隔検出方法はマスク１’上のグレーティン
グに光束を入射させ、物理光学素子によって所定方向に
回折偏光した光束を、ウエハ２の表面で反射させた後に
検出部に導光し、検出部における光束の入射位置を検出
することによって、マスク１とウエハ２との間隔を求め
るものである。

【００３９】なお、図６において、ウエハステージ５の
駆動系等は図示を省略しているが、実際は通常のウエハ
ステージと同様の構成になっているものを使用すればよ
い。また、前述したようにｘ軸方向だけでなくｙ軸方向
について測定する場合には、もう１組の筐体をｙ方向に
も検出可能なように図６に付加すればよいし、或いは図
１、図２の原理で示したグレーティングの回折光のレン
ズ作用が二次元パワーを持つように、或いはトーリック
的に回転非対称パワーのようなパターンを設定すれば、
１組の筐体でｘ、ｙの２軸のずれ検出機能を持たせるこ
とができる。更に、図６はウエハ２を移動し、その移動
を測長しているが、ウエハ２を固定し、筐体１２をｘ、
ｙ方向に移動させ、それに測長器を付設して測定しても
よい。

【００４０】図６において、ウエハ２上のパターンW1、
W2、W3、・・・の間隔をオートアライメント信号と測長
器２３の信号を用いて測定するという趣旨からすると、
図７に示すようにマスク１とウエハ２のずれとオートア
ライメント信号、つまり位置ずれ信号S1−S2との関係は
線型に近い１対１の対応が成立しているため、アライメ
ント信号が厳密にずれ量Ｏのときごとに、測長器２３の
信号を必ずしもサンプリングしなければならないわけで
はなく、ずれ量Ｏの近傍であれば、或る特定のずれ状態
に対応してアライメント信号を決めておき、そのときの
オートアライメント信号が得られるごとに、測長器２３
の信号をサンプリングすることによって、パターンW1、
W2、W3、・・・の間隔を求めてもよい。

【００４１】このようにして測定することにより、先に
述べたようにアライメントの検出誤差は１〜２ｎｍ程度
であり、測長器２３は例えばヒューレット・パッカード
社のレーザー干渉測長器などのように、〜０．０１μｍ
程度の検出精度を持つことができるため、総合的には
０．０１μｍの程度（理論値）の精度でパターンW1、W
2、W3、・・・間の間隔を測定することができる。

【００４２】２つの間隔のデータからウエハ２上のパタ
ーンの製造プロセスによる伸び、縮み、歪等の情報が得
られるので、この情報を基に、このウエハ２への次の焼
付工程の際に、図示しないウエハチャック内の温調装置
で焼付倍率制御を行ってもよい。即ち、ウエハ２への焼
付工程の直前に前回焼付されたパターンに関して前述の
間隔測定を行ってウエハ２上の各部の伸び、歪等の情報
を得て、焼付工程時にはこの情報に基づいて焼付すべき
各部所がマスク１上の焼き付けるパターンに対して適切
な大きさになっていない場合に、温調装置でこの部所が
適切な大きさに膨張又は収縮するように温度制御し、そ
の後にアライメント、焼付を行うようにすれば、より精
度の高い焼付が実施できる。

【００４３】図８、図９は他の実施例を示し、ウエハ２
はステージ５ｘ、５ｙ上に載置され、その上方にそれぞ
れのアライメントパターン１ａ、１ｂが設けられている
複数のパターンを持つマスク１が配置され、筐体６は走
査用のステージ２５ｘ、２５ｙ上に固定されている。ス
テージ５ｘ、５ｙの移動量は測長器２３ｘ、２３ｙによ
って測定され、ステージ２５ｘ、２５ｙの移動量は測長
器２６ｘ、２６ｙによって測定されるようになってい
る。また、測長器２３ｘ、２３ｙ、２６ｘ、２６ｙの出
力は表示器２４に接続されている。更に、ステージ５
ｘ、５ｙ上のミラー２０ｘ、２０ｙ、ステージ２５ｘ、
２５ｙ上のミラー２７ｘ、２７ｙは測長用の反射ミラー
である。また、マスク１とウエハ２との面間隔を測定す
る面間隔測定器１３がステージ５ｙ上に設けられてい
る。本実施例では、筐体６及び内部の部材は先の実施例
とは異なり、図４で示したようなアライメント用、及び
後述するようなパターン測長用に共用されるものであ
る。

【００４４】先ず、マスク１上の測定パターンエリア内
の所定パターン位置に、レーザー光を投射するためにス
テージ２５ｘ、２５ｙにより筐体６を移動し、マスク１
上の対象となるパターンのアライメントマーク付近の比
較的広い領域にレーザー光を投射する。その後に、アラ
イメントマーク２ａ、２ｂに相当するパターンが設けら
れたウエハ２をステージ５ｘ、５ｙを駆動して移動す
る。マスクと筐体６とがそれ程高精度に位置合わせされ
なくても、広い領域にレーザー光を投射すると、マスク
１上アライメントマークにより透過回折され、ウエハ２
上に照射される光の状態は必ず一定である。ウエハ２の
パターンがマスク１の測定パターンの下に至ったとき
に、前述の測定原理に基づいてオートアライメント信号
０を出力する位置があるので、そのときのステージ５ｘ
の位置を測長器２３ｘの出力により読み取る。次に、筐
体６を更にマスク１上の隣のパターン上にレーザー光を
照射する位置に移し、次にウエハ２を移動して、このと
きオートアライメント信号出力が０となる時の測長器２
３ｘの出力を読み取り、測長器２３ｘの出力の差がマス
ク１上のアライメントパターン間のｘ方向の間隔として
計測される。

【００４５】以下、同様にしてｙ方向についてもマスク
１上のパターン間の測長を行うことができる。なお、上
述の説明ではオートアライメント信号が０の時の測長出
力を読み取るとしたが、必ずしもオートアライメント信
号が０である必要はなく、ずれ検出のストローク内であ
れば任意の信号を選んで特定し、この特定出力ごとのス
テージ５ｘ、５ｙの位置に対する測長器２３ｘ、２３ｙ
の出力を読み取ることにより、パターン間の測長が実現
できる。

【００４６】このように、本実施例においては被検物の
透過回折信号を利用しており、マスク１やレチクルの露
光装置上における露光光を照明している時のパターン間
隔の伸縮の計測が可能となる大きな利点を持っている。
特に、近年の高集積化に伴うマスクパターンの歪を極小
に抑える必要性が求められていることより、露光装置と
は別途に独立してマスク１のパターン間隔測長を行う必
要性はもとより、装置へ実装した時の例えば露光光の照
明熱によるパターン歪の定量的な評価が重要となってい
る。本発明の１つはこの要求に答える簡便な方向を提供
するものであり、上述の実施例とは別にウエハステージ
上にオートアライメントに用いるウエハパターンに相当
する部材を設けておくことにより、或いは上記実施例と
同様にウエハ２上の特定のオートアライメントパターン
を利用することによって、マスク１上のパターン間隔の
測長が高精度に実現可能になる。

【００４７】例えば、マスク１上のパターンW1、W2の間
隔長が或る値になるように予め設定されている場合に、
マスク１上の歪が０であれば、パターン間隔はアライメ
ント光学系の誤差と測長器２３ｘ、２３ｙの検出誤差の
和をもって計測される。前述したように、アライメント
の検出誤差は１〜２ｎｍ程度であり、測長器２３ｘ、２
３ｙは例えばヒューレット・パッカート社のレーザー干
渉測長器等のように、総合的には０．０１μｍ程度の精
度でパターンW1、W2間の間隔を測定することができる。

【００４８】なお、図８においてはマスク１への投射光
は斜め方向から入射しているが、垂直方向からであって
もよい。また、ウエハ２を移動しているが、ウエハ２は
固定し、マスク１を移動して移動量を測長するようにし
てもよい。この場合に、マスク１の移動量を測定するよ
うに光学系の配置を適宜変えることになる。

【００４９】以上の装置では、アライメント方式(1) を
用いているが、先に述べた(2) 、(3) 、(5) のアライメ
ント方式を用いてもよく、何れにも共通していること
は、前述した(イ) 、(ロ) 、(ハ) 、(ニ) を備えている。ま
た、オートアライメント系はプロキシミティ方式だけで
なく、光ステッパで用いられている投影式のアライメン
ト系を採用することもできる。

【００５０】図８、図９には、マスク１上のパターンと
ウエハ２上のパターンの間隔を面間隔測定器１３によっ
て検出しているが、面間隔測定器１３を使用せずに、本
出願人が既に出願済の間隔検出方法を用いることもで
き、パターンをアライメント用だけでなく、間隔検出用
にも設けて使用すればよい。この間隔検出方法はマスク
１上のグレーティングから成るパターンマークに光束を
入射し、この物理光学素子によって所定方向に回折偏向
した光を、ウエハ２の面で反射させた後に検出部に導光
し、検出部における光束の入射位置を検出することによ
り、マスク１とウエハ２との面間隔を求めている。

【００５１】図１０、図１１により、具体的に間隔検出
方法について説明する。B3は例えばＨｅ−Ｎｅレーザー
光源或いは半導体レーザー光源３０からの光束であり、
マスク１とウエハ２は間隔ｄを隔てて対向して配置され
ている。また、マスク１に対向して焦点距離fsの集光レ
ンズ３１、受光部３２が配置されている。受光部３２の
出力は信号処理回路３３に接続され、受光部３２の面上
に入射した光束の重心位置を求め、後述するようにマス
ク１とウエハ２との間隔ｄを演算し求めるようになって
いる。集光レンズ３１、受光部３２、そして必要に応じ
て信号処理回路３３はプローブ３４により一体とされ、
マスク１やウエハ２に対して相対的に移動可能となって
いる。

【００５２】半導体レーザー光源３０からの波長λ＝８
３０ｎｍの光束B3を、マスク１の面上の第１のフレネル
ゾーンプレート（以下ＦＺＰと云う）１ｄ上の点Ａに垂
直に入射する。そして、第１のＦＺＰ１ｄからの角度θ
1 で回折する所定次数の回折光を、ウエハ２面上の点Ｂ
（Ｃ）で反射させる。このうち、反射光B4はウエハ２が
マスク１に近い位置P1に位置しているときの反射光であ
り、反射光B5はウエハ２が位置P1から距離dgだけ変位し
たときの位置P2における反射光である。次いで、ウエハ
２からの反射光をマスク１上の第２のＦＺＰ１ｅ上の点
Ｄ（Ｅ）に入射させる。なお、第２のＦＺＰ１ｅは入射
光束の入射位置に応じて、出射回折光の射出角を変化さ
せる光学作用を有している。そして、第２のＦＺＰ１ｅ
から角度θ2 で回折した所定次数の回折光B6、B7を集光
レンズ３１を介して受光部３２上に導光する。このとき
の受光部３２上における入射光束B6、B7の重心位置を用
いて、マスク１とウエハ２との間隔ｄを演算する。

【００５３】なお、マスク１面上に設けた第１、第２の
ＦＺＰ１ｄ、１ｅは、予め設定された既知のピッチで構
成されており、それらに入射した光束の例えば±１次の
所定次数の回折光の回折角度θ1 、θ2 は予め求められ
ている。

【００５４】図１２はマスク１面上の第１、第２のＦＺ
Ｐ１ｄ、１ｅの機能及びマスク１とウエハ２との間隔と
の関係を示す説明図である。ここで、第１のＦＺＰ１ｄ
に入射光を折り曲げる作用を持たせているが、この他に
収束又は発散作用を持たせるようにしてもよい。図１２
(a) 、(b) 、(c) に示すように、第２のＦＺＰ１ｅは場
所によって回折方向が少しずつ変えられる構成になって
おり、例えば点G1はマスク１とウエハ２との間隔ｄが１
００μｍの時の出射光束の重心透過点であり、マスク１
とウエハ２との間隔ｄが増すにつれ、出射光束の透過点
は(a) において右方に移動し、間隔ｄが２００μｍにな
った時は点G2を透過するように設定されている。

【００５５】ＦＺＰ１ｄのパターンは(a) において、上
下方向には収束、発散のパワーを持たせていないが、光
束の拡がりを調整するために持たせてもよい。また、左
右方向に対しては、図１０に示すように出射角度５°方
向に距離fm＝１０００μｍの位置に集光するような収束
パワーを持たせている。なお、図１２において、マスク
１とウエハ２との間隔測定範囲を例えば１００μｍ〜２
００μｍとした場合には、これに対応させて領域を設定
すればよい。

【００５６】また、図８、図９におけるアライメントマ
ーク１ａ、１ｂ或いは２ａ、２ｂに代えて、オートアラ
イメントパターン及び面間隔検出用パターンを共に設定
することもでき、図１３はこの場合のマスク１とウエハ
２の具体例を示している。図１３に示すようにマスク１
に面間隔検出用パターンＰをも設けることにより、図８
における面間隔測定器１３を用いなくともウエハ２との
間隔が測定できる。

【００５７】上述の説明では、(1) として挙げたアライ
メント方法の例について述べてきたが、前述のように他
の(2) 〜(5) の各アライメント方式についても全く同様
な構成で実現可能である。このことを、(4) のアライメ
ント方式を例にとって再び説明する。

【００５８】図１４はJournal of Vacume Science and
Technology 16(6) Nov/ Dec 1979 P1954〜に示されたマ
スク１とウエハ２のアライメント方法に関する説明図で
ある。レーザー光源４０からの光束はレンズ４１を通っ
た後にスキャナ４２により細長いシートビームとされ、
レンズ４３を介してマスク１とウエハ２に投射されるよ
うになっている。

【００５９】マスク１上には、図１５(a) に示すよう
な、シリドリカルレンズと同様の一次元方向のパワーの
みを持ったグレーティングパターン１ｆが設けられ、ウ
エハ２上に点列状のグレーティングパターン２ｆがｙ方
向に延在するように形成されている。

【００６０】マスク１上のグレーティングパターン１ｆ
によりシートビーム状に集光された光束は、マスク１と
ウエハ２のｘ方向のずれがないときには、パターン２ｆ
によって回折されて再びレンズ４３に戻り、レンズ４１
を介して図１４に示すようにフォトダイオード４４に至
る。

【００６１】もし、ｘ軸方向にマスク１とウエハ２がず
れていれば、図１６(a) 、(b) に示すようにマスク１上
のパターン１ｆで集束された回折光はウエハ２のパター
ン２ｆに正しく当たらず、パターン２ｆからの回折光は
僅かしか発生しないか或いは全く発生せず、フォトダイ
オード４４に至る光量は少なくなる。

【００６２】この関係を図１６(b) 、(c) に示し、Δｘ
はマスク１とウエハ２のずれ量であり、例えばパターン
２ｆのパターン幅を１〜２μｍ程度にしておけば、(c)
の反射光を生じている信号のΔｘ方向の幅は１〜２μｍ
程度になり、このピーク値を判別すれば、０．０１μｍ
オーダの検出が可能になる。従って、この場合に図８に
示した本発明の実施例において、マスク１上のパターン
としてパターン１ｆを、ウエハ２上のパターンとしてパ
ターン２ｆのような点列状のパターンを設定すればよ
い。

【００６３】また、このときマスク１上のパターン１ｆ
の焦点距離はマスク１とウエハ２の間隔ｄに設定されて
いるが、所定の設定面間隔からずれていれば、パターン
２ｆに入射する光量が減少し、同時にマスク１とウエハ
２の面間隔検出機能も併せ持つことになる。このため、
(4) のアライメント方式を本実施例とする場合も、図９
と同様の構成でよく、筐体６の光プローブの配置が図１
４の装置に変り、マスク１上のパターンが異なるもので
あればよい。また、これに応じてウエハ２上のパターン
を変更し、点列状のものを用いるとよい。

【００６４】以上述べたように、アライメント光学系と
マスク相当パターン部材が一体として設けられているユ
ニットと、ウエハのような被検体とを相対的に移動させ
その移動量を測長する手段から構成することにより、パ
ターン間の測長を高精度に実現できる。

【００６５】以上に示したパターンの測長結果を用い
て、ＳＯＲ（シンクロトン放射光源）を線源とするＸ線
リソグラフィへの適用例を次に説明する。ＳＯＲは近似
的に遠距離にある点光源と考えられ、図１７によりＳＯ
Ｒと本例を用いた露光装置の関係について説明する。

【００６６】図１７において、装置の上方にはＳＯＲの
点光源５０が配置され、この点光源５０から所謂露光Ｘ
線である放射Ｘ線Bxが照射されている。この図１７で
は、図５の部材と同じものには同符号を付している。ウ
エハステージ５はＸ線ステッパ５１内に設けられ、Ｘ線
ステッパ５１は駆動機構５２により駆動されるようにな
っている。なお、表示器２４の出力はコントローラ５
３、駆動回路５４を介して駆動機構５２に接続されてい
る。コントローラ５３は検出系が設けられた筐体１２か
らの出力と、測長器２３の出力に基づいて駆動回路５４
に信号を出力する制御系であり、例えばコンピュータか
ら成っている。

【００６７】実際に作業を開始する際には、マスク１の
パターンエリア中心と点光源５０をアライメントする必
要がある。このとき、上述のパターン間の測長結果をど
のように用いるかについて、マスク１、ウエハ２を横か
ら見た図１８と図１９を用いて説明する。図１８におい
て、マスク１のパターンエリア中心M(O)と点光源５０を
結んだ線分は、パターンエリア中心の法線Ｎ上のマスク
面の法線Ｏと一致する。通常、この法線Ｏが図１８に示
すようにパターンエリア中心法線Ｎと一致した状態が、
点光源５０とマスク１の好ましいセッティング状態であ
るが、マスク１の設置が良好になされていないと、図１
９に示すように光源５０がパターンエリア中心M(O)の法
線Ｏ上にない状態にセッティングされる場合がある。

【００６８】現在、装置が図１８と図１９の状態の何れ
かの状態にあるかの判別、及びその補正は本発明に係る
パターン間の測長手段を用いて次のように行われる。即
ち、一旦、ＳＯＲ光源５０で等間隔のパターンM(-3) 、
M(-2) 、M(-1) 、M(0)、M(+1) 、M(+2) ・・・が設けら
れた所定のマスク１を、テスト用のウエハ２上に露光焼
付し、このウエハ２の各パターン間隔を本発明に係る測
長装置を用いて測定し、その値に基づいてパターンエリ
ア中心法線Ｎの法線Ｏと点光源５０のずれΔを求め、光
源５０に対しＸ線ステッパ５１を駆動機構５２を用い
て、ずれΔに応じた量だけ動かし、所定の配置である図
１８の関係になるように設定する。

【００６９】図１９に示すように、等間隔で設けたマス
ク１上のパターンM(-3) 、M(-2) 、M(-1) 、M(0)、M(+
1) 、・・・が焼き付けられて形成されたウエハ２上の
各パターンW(-3) 、W(-2) 、W(-1) 、W(0)、W(+1) 、・
・・は不等間隔となる。ここで、図１８に示した理想的
な位置関係では、ウエハ２の上の１回の露光による１シ
ョットの焼付領域のパターンエリアの中心W(0)に関し
て、図１８に示した理想的な位置関係では不等間隔は対
称な分布に部分になるべきところが、図１９に示すよう
に光源５０とマスク１のパターンエリア中心M(0)の法線
Ｎの間にずれΔがあると、１ショットのパターンエリア
中心W(0)に関して非対称な不等間隔になる。この不等間
隔も点光源５０から垂直にＸ線Bxが入射する位置を中心
に対称になっている。従って、ウエハ２上に焼付けられ
たパターンの不等間隔の分布の対称中心位置と、ウエハ
２の中心W(0)の位置の間隔がずれΔと見做せる。

【００７０】この対称中心位置を測定値を基に求め、こ
の位置をパターンエリア中心W(0)のずれ量を検出し、こ
の値の分だけ図１７に示すようにＸ線ステッパ５１の位
置を駆動機構５２により移動して、初期のセッティング
状態にするとよい。なお、マスク１上の或るパターンP
(N)と隣のパターンP(N+1)の間隔がａのとき、ウエハ２
上に焼付けられるパターンW(N)とW(N+1)の間隔ｂは、図
２０においてマスク１と点光源５０の距離をＬ、マスク
１とウエハ２の間隔をｇとすると、 ｂ＝ａ・ ( Ｌ＋ｇ）／Ｌ となり、例えば、Ｌ＝５ｍ、ｇ＝１００μｍ、ａ＝１ｍ
ｍとすると、ｂ＝１．００００２ｍｍとなって、ｂ−ａ
＝０．００００２ｍｍ＝０．０２μｍとなる。

【００７１】具体的には、図１７に示すように上に等間
隔のパターンW1、W2、W3、・・・を設けたマスク１を用
いて、ＳＯＲ光源５０により一旦ウエハ２上にパターン
W1、W2、W3、・・・を焼付け、このとき筐体１２を退避
させておき、ウエハ２を現像した後にマスク１を除き、
このウエハ２を再びセットして、筐体１２を所定の位置
に配置し、前述の測定系を用いてパターンW1、W2、W3、
・・・の間隔を計測して、この不等間隔のパターン測長
値に基づいて図１９におけるずれΔを測定し、この値の
分だけＸ線ステッパ５１を図１８に相当する所望の関係
になるように、駆動機構５２により移動すればよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る測長
装置及び露光装置及び露光装置の位置決め方法は、光プ
ローブとしてオートアライメント検出手段又はそれと同
等物を用いており、アライメントパターンを有する第
１、第２の物体を相対的に移動して、移動量を高精度に
読み取った値を基に、被検対象である第２の物体上のパ
ターンの高精度な測長を実現し、位置決めを行う。

【図面の簡単な説明】

【図１】オートアライメント検出方法の検出原理の説明
図である。

【図２】配置図である。

【図３】アライメントパターンの平面図である。

【図４】オートアライメント検出方法の半導体露光装置
への適用例の説明図である。

【図５】実施例の構成図である。

【図６】斜視図である。

【図７】オートアライメントの特性図である。

【図８】他の実施例の構成図である。

【図９】斜視図である。

【図１０】面間隔検出方法の検出原理の説明図である。

【図１１】面間隔検出方法の説明図である。

【図１２】面間隔検出方法の説明図である。

【図１３】オートアライメント検出と面間隔検出の両機
能を備えたパターンの平面図である。

【図１４】他のオートアライメント検出方法の構成図で
ある。

【図１５】検出方法の説明図である。

【図１６】検出方向の説明図である。

【図１７】Ｘ線リングラフィへの適用例を説明するため
の装置の構成図である。

【図１８】点光源とマスク、ウエハの配置の説明図であ
る。

【図１９】点光源とマスク、ウエハの配置の説明図であ
る。

【図２０】焼付パターンの間隔の説明図である。

【図２１】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１ マスク １ａ、１ｂ、１ｆ、２ａ、２ｂ、２ｆ、 アライメント
マーク １ｃ、２ｃ スクライプライン ２ ウエハ ３、４ 検出部 ５ ウエハステージ ６ ピックアップ筐体 １２ 筐体 １３ 面間隔測定器 ２３、２６ 測長器 ２４ 表示器 ３１ 集光レンズ ３２ 受光部 ４４ フォトダイオード ５０ ＳＯＲ点光源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアライメントパターンを有する被
   検対象としての第１の物体と基準となるアライメントパ
   ターンを有する第２の物体とに関して、前記アライメン
   トパターン同志の整合状態を光学的に検出するアライメ
   ント検出手段と、前記第１の物体と第２の物体とを相対
   的に移動する移動手段と、該移動手段の移動量を測定す
   る測長手段とを具備し、前記第１物体の複数のアライメ
   ントパターンの内の少なくとも幾つかと前記第２の物体
   のアライメントパターンとの前記アライメント検出手段
   による整合状態の検出と、前記測長手段による測定とか
   らパターン間測長を行うことを特徴とする測長装置。
2. 【請求項２】 複数のアライメントパターンを有する被
   検対象としての第１物体と基準となるアライメントパタ
   ーンを有する第２の物体とに関して、前記アライメント
   パターン同志の整合状態を検出し、その結果に基づいて
   前記第１物体と第２物体とを整合して露光を行う露光装
   置において、前記整合状態を検出するアライメント検出
   手段と、前記第１の物体と第２の物体とを相対的に移動
   する移動手段と、該移動手段の移動量を測定する測長手
   段とを具備し、前記第１物体の複数のアライメントパタ
   ーンの内の少なくとも幾つかと前記第２の物体のアライ
   メントパターンとの前記アライメント検出手段による整
   合状態の検出と、前記測長手段の測定とからパターン間
   測長を行うことを特徴とする露光装置。
3. 【請求項３】 複数のアライメントパターンを有する被
   検対象としての第１の物体と基準となるアライメントパ
   ターンを有する第２の物体とに関して、前記アライメン
   トパターン同志の整合状態を検出し、その結果に基づい
   て前記第１物体と第２物体とを整合して露光を行う装置
   に関し、該露光装置を用いて前記第１物体に前記複数の
   アライメントパターンを形成する形成工程と、前記形成
   工程により形成された前記第１物体の複数のアライメン
   トパターンのうちの少なくとも幾つかと、前記第２物体
   のアライメントパターンと同様のアライメントパターン
   を有する基準物体のアライメントパターンとの整合状態
   の順次の検出を行う検出工程と、前記検出工程時の前記
   第１物体と基準物体との相対移動量の測定を行う測定工
   程と、前記検出工程と測定工程とからパターン間測長を
   行うパターン測長工程と、該パターン測長工程の結果に
   基づいて前記露光装置の位置決めを行う位置決め工程と
   を有することを特徴とする露光装置の位置決め方法。