JPH0582727B2

JPH0582727B2 -

Info

Publication number: JPH0582727B2
Application number: JP59199433A
Authority: JP
Inventors: Atsunobu Une; Makoto Inoshiro; Nobuyuki Takeuchi; Kimikichi Deguchi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1993-11-22
Also published as: JPS60173837A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体ICやLSIを製造するための露
光装置やパタン評価装置等に利用されるギヤツ
プ・位置合せ制御法に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体ICやLSIの微細化に伴い、サブミクロン
パタンを生産的に転写できる装置としてＸ線露光
装置の開発が進められているが、発散Ｘ線源を用
いるＸ線露光装置では、高精度位置合せ法ととも
に、マスクとウエハ間のギヤツプを高精度に設定
する技術の確立が不可欠となつている。

このような両物体、例えばマスクとウエハ間の
相対的位置ずれ変位とギヤツプとを同時に制御す
る方法として、出願人は先に、２重回折格子を利
用し、例えばその±１次回折光強度の加算処理に
よつて行なう方法を提案している（特願昭58−
31278）。今、これを簡単に説明すれば、この方法
は例えば第１０図に示すような装置を用いて行な
われる。同図において、レーザ光線１から発した
コヒーレント光は、ミラー２で方向を変えられ、
真空吸着マスクステージ３によつて保持されるマ
スク４の上に作製されたマスクマーク５に入射、
通過後、粗調ステージ６の上の微調ステージ７の
上に保持されるウエハ８に作製されたウエハマー
ク９で反射され、再度マスクマーク５を通過す
る。マスクマーク５、ウエハマーク９は回折格子
パタンであり、第１図Ｂに示すように前者は透過
形で、Si₃N₄等のＸ線透過率の高い透明薄膜１０
の上にTaやAu等の不透明薄膜１１により回折格
子パタンを形成したもの、後者は反射形でウエハ
８の上に無反射薄膜１２により回折格子パタンを
形成したものもしくは同図Ｃに示すように段差状
にエツチングすることによつて回折格子パタンを
形成したものである。

これらマスクマーク５およびウエハマーク９に
より回折された光は、入射光に対してθ＝sin^-1
（2mλ／Ｐ）（ｍ＝０、±１、±２，……）の方向でのみ強くなり、それらはｍの値によつてｍ次の回折
光と呼ばれている。なおここで、λはレーザ光の
波長、Ｐは回折格子のピツチである。

そこで、これらの回折光のうち入射光に対して
対称的な方向に回折された同次数の回折光、例え
ば＋１次回折光と−１次回折光のみを光電変換器
１３，１４で受け、各回折光強度I₊₁，I_-1を光電
変換し、その加算強度ΣI＝I₊₁＋I_-1の変化を検出
することによつて位置合せを行なうことができ
る。すなわち、この加算強度ΣIは、例えば第１
１図に示すように回折格子のピツチＰを周期とし
て同じ波形を繰返し、２つの回折格子がぴつたり
一致したとき（位置ずれ量ｄ＝０）に最小値、２
つの回折格子の相対位置ずれ量ｄがＰ／２のとき
に最大値をとる。したがつて、ΣIが最小もしく
は最大になるように微調ステージ７を移動させる
ことにより位置合せが行なえる。なお、第１１図
は波長λ＝0.6328μm、ピツチＰ＝4μm、入射角
α＝0°（垂直入射）の場合についてギヤツプＺを
25.3μm（図中イ）、25.6μm（図中ロ）、25.9μm（図
中ハ）と変動させた際の、マスク４とウエハ８の
相対位置ずれ量ｄに対する＋１次と−１次回折光
の加算強度ΣIの変化を実験により求めた結果で、
縦軸は光電変換器１３，１４の出力の和をボルト
単位で示してある。

また、第１２図は波長λ＝0.6328μm、ピツチ
Ｐ＝4μm、入射角α＝0°（垂直入射）の場合につ
いて、マスク４とウエハ８の相対位置ずれ量ｄを
０から2μmまで変動させた際の、マスク４とウエ
ハ８との間のギヤツプＺに対するΣIを計算した
結果を示す。図中、イ，ロ，ハ，ニ，ホはそれぞ
れ相対位置ずれ量ｄが０，0.5，1.0，1.5，2μmの
場合を示すが、ΣIは位置ずれ量ｄ＝Ｐ／２のときにＭ＝λZ／P²＝ｋ（ｋは整数）を満たすギヤツプ値Ｚにおいて最大値を示すのに対し、ｄ＝０のときに
はＭ＝ｋにおいて最小となる。このため、ΣIを
用いてギヤツプ制御を行なうためには、位置ずれ
量ｄを−Ｐ／８〜Ｐ／８以内にプリアライメントした後にΣIが最大になるように制御するか、もしくは
位置ずれ方向にＰ／２の幅でマスクとウエハとを振動しつつ、その振動振幅が最大になるように制御
しなければならない。したがつて、制御方法が複
雑となり、特に後者の方法では複雑な振動機構が
必要となる。また、位置およびギヤツプ設定後に
設定点からずれを生じた場合、位置およびギヤツ
プのいずれもΣIを検出信号としているために、
いずれがずれたのか判別がつきにくい難点があ
る。

このため、出願人はさらに、回折格子マークに
入射する光の入射角を振動させる方法を提案した
（特願昭58−63360）。これは、例えば第１３図に
示すような装置において、レーザ光源１から発し
たレーザ光を入射角振動ミラー１５によつて偏向
した後マスクマーク５上に焦点を有する球面ミラ
ー１６によつてマスクマーク５上に照射し、この
時生ずる±１次の回折光を球面ミラー１８，１９
で反射し光電変換器１３，１４へ導くもので、上
記回折光強度I₊₁，I_-1を減算してその絶対値ΔI＝
｜I₊₁−I_-1｜を求め、−ΔαからΔαの入射角振動幅
について積分すると、第１４図に示すように、位
置ずれ量ｄにかかわらずＭ＝ｋにおいて零になる
ギヤツプ検出信号が得られるため、この点におい
てギヤツプ設定が可能になる。すなわち、第１４
図は波長λが0.6328μm、ピツチＰが4μm、中心
入射角が0°で振動幅が±4.535°の場合について、
マスクとウエハの相対位置ずれ量ｄを０から2μm
まで変動させた際のマスクとウエハ間のギヤツプ
Ｚに対する積分強度Ｔの変化を示した図で、イは
ｄ＝0μm、ロは0.5μm、ハは1.0μm、ニは1.5μm、
ホは2.0μmの場合の演算結果を示す。一方、位置
ずれ信号としては入射角が0°の時のΣIを求めれば
第３図と同一の信号が得られる。したがつて本方
法によれば位置ずれ検出信号とギヤツプ検出信号
とを分離でき、いずれのずれかを容易に判別でき
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この方法では回折格子へのレーザ照射
位置を変化させずに入射角のみを変化させる複雑
でしかも高構度の入射角振動機構および光学系を
必要とするため装置価格が高価となり、保守に時
間を要する。また、信号処理は入射角偏向に要す
る時間によつて制約を受け、高速処理の妨げにな
るという問題があつた。

本発明は、このような問題を解決するためにな
されたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明は、位置ずれ検出用回折格子
マークの同一光スポツト内に回折格子と反射面と
からなるギヤツプ検出専用のマークを設け、ギヤ
ツプ検出用マークから得られる回折光の強度を利
用してギヤツプを制御する一方、位置ずれ検出用
回折格子マークから得られる同次数の回折光強度
を演算処理した結果によつて相対位置ずれ変位を
検出し位置合せ制御するものである。

〔作用〕

位置およびギヤツプの検出信号が完全に分離さ
れ制御がきわめて容易になる一方、振動機構等は
一切不要である。

〔実施例〕

はじめに、上述したような回折格子および反射
面の組合せによつてギヤツプ制御が行なえること
について説明する。

第２図は、このようなギヤツプ制御に用いる装
置の構成例を示す。本装置自体の構造は、基本的
には先に述べたような２重回折格子による位置合
せ制御に用いた装置と変わるところはない。図に
おいて、２０はウエハステージ、２１はハーフミ
ラー、２２，２３は集光レンズ、２４は信号処理
制御部であり、５Ａはマスクマーク、９Ａはウエ
ハマークである。

上記構成において、レーザ光源１を発したコヒ
ーレント光は、ガルバノメータや光偏向素子等か
らなる入射角偏向ミラー１５で偏向され、球面ミ
ラー１６によつて反射されて、真空吸着マスクス
テージ３によつて保持されるマスク４上の同一点
に入射する。マスク４上に作製されたマスクマー
ク５Ａ上に入射した光は、ウエハステージ２０上
に保持されるウエハ８上に作製されたウエハマー
ク９Ａによつて反射され、再度マスクマーク５Ａ
を通過する。

マスク４およびウエハ８上に作製されたマーク
は、第３図に拡大して示すように、前者は透過形
で、マスク４を構成する透明基板、もしくは透明
薄膜３０上に不透明薄膜３１によつて回折格子パ
タンを形成したもの、後者はウエハ８上に形成し
た無反射薄膜３２の一部を除去して反射面とした
ものである。

これら両マークによつて回折・反射された光
は、入射光に対して対称的な方向に回折されるプ
ラス・マイナスの多数の回折光となる。このうち
±１次回折光はハーフミラー２１によつて反射さ
れ、さらに集光レンズ２２，２３によつて、それ
ぞれ光検出器１３，１４に導かれる。±１次回折
光は光検出器１３，１４によつて回折光強度I₊₁
とI_-1に光電変換され、さらに信号処理制御部２
４によつて、信号処理されてマスクステージ３、
ウエハステージ２０の駆動信号になり、マスクと
ウエハ間のギヤツプが制御される。なお、図上実
線で示される光線は回折格子に直入射する光線で
あり、破線で示される光線は入射偏向ミラー１５
によつて偏向され回折格子に斜め入射する光線で
ある。

直入射時における±１次回折光強度I₊₁，I_-1お
よびそれらの加算信号ΣI＝I₊₁＋I_-1は、第４図に
示すようにマスクとウエハ間のギヤツプＺに対し
て周期的に変化し、Ｍ＝λZ／P²＝１／２＋ｋ（ｋは整数）を満たすギヤツプＺにおいて最小、Ｍ＝
λZ／P²＝ｋを満たすギヤツプＺにおいて最大と
なる。ここで、λは光の波長で図示の例では
0.6328μm、Ｐは回折格子のピツチで3μmである。
また図中イがI₊₁もしくはI_-1、ロがΣIを示す。

したがつて、一周期の範囲内（14.2μm）にギ
ヤツプをプリアライメントしておき、回折光強度
が最小または最大になるようにマスクステージ３
もしくはウエハステージ２０をギヤツプ方向に制
御することによつて、それぞれＭ＝ｋ＋１／２、Ｍ＝ｋを満たすギヤツプに容易に設定できる。ギヤ
ツプの設定値を変えたい場合には、ピツチＰもし
くはレーザの波長λを変えることによつて簡単に
行うことができる。また、レーザ光の入射角θが
ｍ＝2Psinθ／λ＝１を満たす角度に設定することにより、ΣI，I_-1においてはＭ＝ｋ／２＋１／４またはＭ＝ｋ／２を満たすギヤツプ点、すなわち直入射の場合の1/2の周期の点で、回折光強度はそれぞれ最
小または最大値をとる。したがつて、これらの点
においてもギヤツプ設定が可能となる。

一方、レーザ入射角θがｍ＝2Psinθ／λ＝１／２を
満たす斜め入射時においては、±１次回折光強度の
差信号ΔI＝I₊₁−I_-1は、第５図に示すようにＭ＝
ｋ＋１／２を満たすギヤツプＺにおいてゼロクロスし、Ｍ＝ｋを満たすギヤツプＺにおいて零とな
る。したがつて、ΔIが零に近づくようにマスク
ステージ３もしくはウエハステージ２０をギヤツ
プ方向に移動し、ΔI＝０の点で停止するという
方法によつて、簡単にギヤツプ制御できる。

以上の結果はマスク上の回折格子マーク裏面か
らの反射回折光がないとして、第43回応用物理学
会術講演会講演予稿集P27，1982年で紹介されて
いる理論式を用いてシミユレートしたものであ
る。

マスク上の回折格子マーク裏面からの反射回折
光がある場合については、透過回折光（マスクマ
ーク５Ａを透過回折し、ウエハマーク９Ａによつ
て反射され、再度マスクマーク５Ａを透過回折す
る回折光）と反射回折光が干渉し、例えば第６図
に示すような回折光強度信号が得られる。第６図
は、波長0.6328μmのHe−Neレーザ、3μmピツチ
の回折格子を用いて、直入射時の＋１次回折光強
度I₊₁をギヤツプＺに関して実験的に求めた結果
である。この検出信号は、透過回折光と反射回折
光とが干渉したλ／２周期の干渉波イとその包絡
線で示されるP²／λ周期の包絡波ロが重畳した
ものであり、包絡波の最大値点はＭ＝ｋ（ｋは整
数）を満たすギヤツプＺで生じている。したがつ
て、包絡波の最大値点Ａ，Ｂ，Ｃを検出すること
によつてギヤツプ設定を行うことができる。一
方、この最大値点を含む干渉波を利用して、第７
図に示すように干渉波の最大値点より低い基準電
圧Erを設け、検出信号との交差点でギヤツプサ
ーボを行うと、±0.01μm以下のギヤツプサーボを
容易に実現できる。また、サーボ点Ｓの最大値点
MXからのはずれは、λ／16＝0.04μm程度であ
り、総合精度として0.05μm以下のギヤツプ設定
が可能になる。

第８図は、ｍ＝2Psinθ／λ＝１／２を満たす角度θ
≒ 3°でレーザを回折格子に斜め入射した時の±１次
回折光強度の差信号ΔIを、ギヤツプに関して実
験的に求めた結果である。使用したレーザ、回折
格子は第６図の直入射の場合と同じである。包絡
波は、Ｍ＝ｋを満たすギヤツプＺにおいて、最小
となり、この点A′，B′等でギヤツプ設定を行う
ことができる。第９図に、第８図上、円で示した
この設定点付近の拡大図を示すが、最小振幅とな
る干渉波の中点Ｎを検出することによつて、容易
にギヤツプ設定できる。

なお、第６図の直入射の実施例では＋１次回折
光強度I₊₁を利用した場合について述べたが、−１
次回折光強度I_-1もしくは±１次回折光強度の和
信号ΣIまたは０次の回折光強度I₀等を利用して
も、同様な効果が得られる。

このように、第１の物体に設けた回折格子と第
２の物体に設けた反射面に、レーザ光を垂直もし
くは斜め入射したさいに生じる回折光強度信号の
変化によつて、高精度のギヤツプ設定が可能であ
り、且つ干渉波の利用によつて、±0.01μm以下の
ギヤツプサーボを容易に実現できる。

発明者らは、前述した特願昭58−31278、特願
昭58−63360を含め、特願昭57−213579、特願昭
57−187078その他で、上述したと同様の構造の位
置合せ装置により、２重回折格子を位置合せマー
クとして用いてギヤツプの設定および位置合せを
高精度で行なう方法を種々提案し、また昭和58年
精機学会春季大会講演論文集（1983）821、昭和
58年精機学会秋季大会講演論文集（1983）417お
よび419その他で公にしているが、上述したギヤ
ツプ制御法をこれらの方法に組合せ、ギヤツプの
設定については上述した方法により独立に行な
い、その上で２重回折光強度により位置合せを行
なうようにすれば、両者の信号が完全に分離でき
るために信号処理が簡単になる。この場合、２重
回折格子のみを用いる場合に比べて本発明による
ギヤツプ設定専用の回折格子が余分に必要となる
が、前述したように回折格子を設けるのはマスク
側のみであるため、さして負担の増加とはならな
い。特に、レーザの直入射を利用する場合、例え
ば第１図に示すように、位置ずれ検出用の回折格
子からなるマスクマーク５Ｂおよびウエハマーク
９Ｂ（図示の例では特願昭54−137660（特開昭56−
61608）に開示された倍ピツチマークを用いてい
る）を、ギヤツプ検出用の回折格子からなるマス
クマーク５Ａおよび反射面からなるウエハマーク
９Ａと同一のレーザスポツト４０内に配置するこ
とが可能であり、この場合位置ずれ検出点におけ
るギヤツプ値はギヤツプ検出点におけるギヤツプ
値にほぼ等しいと考えてよい。したがつて、ギヤ
ツプ検出用マークにつて、例えば加算信号を用い
る場合ならＭ＝ｋの値に設定した後、位置ずれ検
出用２重回折格子マークにより位置合せを行なえ
ば、容易に最大感度の位置ずれ検出信号を得るこ
とができ、高精度かつ高速のギヤツプ・位置合せ
が行なえる。反面、位置ずれ検出用マークとギヤ
ツプ検出用マークとを近接して配置することによ
り、互いの回折光が干渉を起こす場合が考えられ
るが、図示のように両マスクマーク５Ａ，５Ｂの
回折格子方向を互いに直角に配置すれば、ギヤツ
プ検出用マーク５Ａ，９Ａによる回折光４１，４
２と位置ずれ検出用マーク５Ｂ，５Ｂによる回折
光４３，４４とはそれぞれ直角方向に出射される
ので、ギヤツプ検出信号と位置ずれ検出信号とを
完全に分離できる。

以上、入射光としてレーザ光（コヒーレント
光）を用いた場合についてのみ説明したが、準単
色光を用いてもほぼ同様の結果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、位置ず
れ検出用の第１および第２の回折格子からなるマ
ークに近接して、第３の回折格子および反射面か
らなるギヤツプ検出専用のマークを設け、ギヤツ
プ検出用マークから得られる回折光の強度信号を
利用してギヤツプを制御する一方、位置ずれ検出
用マークから得られる同次数の回折光強度を演算
処理した結果によつて位置合せ制御するようにし
たことにより、位置ずれ検出信号とギヤツプ検出
信号とが完全に分離でき、位置ずれとギヤツプと
を独立して制御できることから制御方法が簡単と
なり、高精度のギヤツプ・位置合せ制御が高速で
行なえる。しかも従来の２重回折格子を用いたギ
ヤツプ・位置合せ制御法に比較して回折格子の増
設はマスクとウエハであればマスク側のみでよ
く、プロセス上、さして負担の増加とはならな
い。また、第１および第３の回折格子を同一の入
射光スポツト内に配置しているので、入射光ビー
ムも１本で良いため、光学系もきわめて簡単にで
きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２
図は本発明によるギヤツプ制御の原理を説明する
ための装置の構成例を示す図、第３図はマスクお
よびウエハ上に形成したギヤツプ制御用マークの
拡大図、第４図はレーザ直入射時におけるギヤツ
プ検出信号の一例を示す図、第５図はレーザ斜め
入射時におけるギヤツプ検出信号の一例を示す
図、第６図はマスク裏面反射がある場合のレーザ
直入射時におけるギヤツプ検出信号の一例を示す
図、第７図は干渉波を利用するギヤツプサーボの
一例を説明するための図、第８図はマスク裏面反
射がある場合のレーザ斜め入射時におけるギヤツ
プ検出信号の一例を示す図、第９図はギヤツプ設
定点付近の拡大図、第１０図Ａは従来の２重回折
格子を用いた位置合せ装置の構成図、同図Ｂは２
重回折格子の構成例を示す図、同図Ｃは反射形回
折格子の他の構成例を示す図、第１１図は±１次
回折光加算強度と位置ずれとの関係を示す図、第
１２図は加算強度とギヤツプとの関係を示す図、
第１３図は従来の位置合せ装置の他の構成例を示
す図、第１４図はギヤツプ検出信号を示す図であ
る。１……レーザ光源、４……マスク（第１の物
体）、５Ａ……第３の回折格子からなるギヤツプ
検出用のマスクマーク、５Ｂ……第１の回折格子
からなる位置ずれ検出用のマスクマーク、８……
ウエハ（第２の物体）、９Ａ……反射面からなる
ギヤツプ検出用のウエハマーク、９Ｂ……第２の
回折格子からなる位置ずれ検出用のウエハマー
ク、１３，１４……光電変換器、２４……信号処
理制御部、３０……透明薄膜、３１……不透明薄
膜、３２……無反射薄膜、４０……レーザスポツ
ト、４１，４２……ギヤツプ検出用マークによる
回折光、４３，４４……位置ずれ検出用マークに
よる回折光。

Claims

【特許請求の範囲】１第１の物体に設けた第１の回折格子と、第２
の物体に設けた第２の回折格子とを一定のギヤツ
プをおいて重ね、これら第１および第２の回折格
子にコヒーレント光もしくは準単色光を入射し、
両回折格子によつて生じた回折光の強度の変化に
よつて第１の物体と第２の物体の相対変位を検出
して位置合せする方法において、第１の物体における前記第１の回折格子に入射
したコヒーレント光もしくは準単色光の同一スポ
ツト内の位置に、ギヤツプ検出用の第３の回折格
子を設け、第２の物体には前記第３の回折格子に対応する
位置にギヤツプ検出用の反射面を設け、第３の回
折格子および反射面でそれぞれ回折・反射された
回折光の強度信号の変化から、第１の物体と第２
の物体間のギヤツプ制御を行なうとともに、第１
および第２の回折格子によつて入射光に対して対
称的な方向に回折された同次数の回折光強度を演
算処理し、この演算強度の変化によつて第１の物体と第２
の物体間の相対位置ずれ変位を検出し、位置合せ
制御することを特徴とする組合せ回折格子による
ギヤツプ・位置合せ制御法。２位置ずれ検出用の第１および第２の回折格子
とギヤツプ検出用の第３の回折格子とを方向が互
いに直角となるように配置することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の組合せ回折格子によ
るギヤツプ・位置合せ制御法。