JPH06252030A - 位置検出装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体素子製造用の投影露光装置においてレ
チクルとウエハとの相対的な位置合わせを高精度に行な
うことができる位置検出装置及びそれを用いた半導体素
子の製造方法を得ること。 【構成】 第１物体面上のパターンを第２物体面上に投
影する投影光学系を介して該第２物体面上に設けた位置
合わせマークを検出系により撮像手段面上に形成し、該
撮像手段からの出力信号を利用して該位置合わせマーク
の位置を検出する際、該検出系は異なる倍率の複数の光
学系を有し、該複数の光学系により該撮像手段面上に異
なった倍率の位置合わせマークを形成していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置及びそれを
用いた半導体素子の製造方法に関し、例えば半導体素子
製造用の投影露光装置（ステッパー）においてレチクル
やマスク等の第１物体面上に形成されている電子回路パ
ターンをウエハ等の第２物体面上に投影レンズ（投影光
学系）により投影し露光転写する際のレチクル、ウエハ
間の相対的な位置合わせ（位置検出）を行なう場合に好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造用の投影露光装置におい
て、レチクルとウエハの相対的な位置合わせは高精度化
を図るための重要な１要素となっている。特に最近では
半導体素子の高集積化に伴ってサブミクロン以下の位置
合わせ精度が要求されている。レチクルとウエハの位置
合わせ方法としては従来より幾つもの方法が考案されて
いる。

【０００３】例えば次の３通りの方式がある。 （１−１）露光光を用いかつ投影レンズを通す方式（露
光光ＴＴＬ方式） （１−２）非露光光を用いかつ投影レンズを通さない方
式（ＯＦＦ−ＡＸＩＳ方式） （１−３）非露光光を用いかつ投影レンズを通す方式
（非露光光ＴＴＬ方式） 現在、注目されている露光光としてｉ線（波長）を用い
たｉ線ステッパーではレジスト特性やベースラインの安
定性、装置の規模等から（１−３）の方式の非露光光Ｔ
ＴＬ方式が最適なアライメント方式として使用されてい
る。

【０００４】本出願人も（１−３）の方式を利用した位
置検出装置及び半導体素子の製造方法を特開平３−６１
８０２号公報で提案している。

【０００５】この他、本出願人は特開昭６２−２３２５
０４号公報でウエハ面上のアライメントマークを撮像手
段に形成し、該撮像手段で得られた像情報からパターン
マッチング等の手法を用いて位置検出を行なった投影露
光装置を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】レチクルとウエハとの
位置合わせ方式のうち、ウエハ上に構成されるアライメ
ントマーク（以下ウエハマーク）の光学像を検出系によ
りＣＣＤカメラ等の撮像素子上に結像し、その電気信号
を処理しウエハマークの位置を検出する方法において、
該ウエハマークの検出分解能Ｒは撮像素子のピッチ／検
出系の光学倍率で決定される。

【０００７】例えば１３μｍピッチの撮像素子を有する
ＣＣＤカメラ上に検出系により光学倍率１００倍でウエ
ハマークを結像すると、検出分解能Ｒ₁₀₀ は Ｒ₁₀₀ ＝１３／１００＝０．１３μｍ／Ｐｉｘ となる。

【０００８】そのときの再現精度はいろいろな処理方法
はあるとしても、分解能に比例していて一般に分解能の
１／５〜１／１０程度と考えられる（この場合２６〜１
３ｎｍ）。

【０００９】従って再現精度を上げるためには撮像素子
のピッチを細かくするか、検出系の光学倍率を大きくす
る必要がある。しかしながら撮像素子のピッチを細かく
することは製造上大変難しい。

【００１０】また検出系の光学倍率を上げた場合には （２−１）光量低下（光学倍率の自乗に比例） （２−２）検出範囲の減少（光学倍率に比例） 等の問題点が生じてくる。

【００１１】現在、量産化されてるＣＣＤカメラの最も
細かいピッチ（１３μｍ）の撮像素子を使用したとして
も、このときの光学倍率はウエハの反射率やウエハマー
クの形状から１００倍以下の値となっているのが現状で
あり、高精度化を図る障害となっている。

【００１２】本発明はウエハ面上の位置合わせマーク
（ウエハマーク）を投影光学系を介して検出系によりレ
チクルと予め位置合わせが行なわれている撮像手段面上
に適切なる結像倍率で形成し、該位置合わせマークの位
置情報を検出することによりレチクルとウエハとの相対
的な位置合わせを高精度に行なうことができる位置検出
装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法の提供を目
的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、第１物体面上のパターンを第２物体面上に投影する
投影光学系を介して該第２物体面上に設けた位置合わせ
マークを検出系により撮像手段面上に形成し、該撮像手
段からの出力信号を利用して該位置合わせマークの位置
を検出する際、該検出系は異なる倍率の複数の光学系を
有し、該複数の光学系により該撮像手段面上に異なった
倍率の位置合わせマークを形成していることを特徴とし
ている。

【００１４】特に、前記検出系は光路中に光学部材を挿
脱することにより倍率の異なる複数の光学系を形成して
いることや、前記複数の光学系のうちの一つの光学系は
シリンドリカルレンズを有し、該光学系に対応する撮像
手段は１次元ＣＣＤセンサーより成っていること等を特
徴としている。

【００１５】また本発明の半導体素子の製造方法として
は、レジストが塗布されたウエハ面上のウエハマークの
位置を投影光学系と検出系とを介して撮像手段面上に形
成し、該撮像手段面上のウエハマーク像の位置情報より
マスク面上のパターンとウエハ面上のパターンとの相対
的位置検出を行なった後にマスク面上のパターンを投影
光学系によりウエハ面上のレジストに投影露光し、次い
で該ウエハのレジストを現像処理して半導体素子を製造
する際、該検出系は異なる倍率の複数の光学系を有し、
該複数の光学系により該撮像手段面上に異なった倍率の
ウエハマーク像を形成していることを特徴としている。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の位置検出装置を半導体素子製
造用の投影露光装置に適用したときの実施例１の要部概
略図である。

【００１７】本実施例では露光照明系ＩＬからの露光光
で照明したレチクル（マスク）１上に形成された電子回
路パターンは、投影光学系３を介して２次元移動可能な
ステージ５に載置されたウエハ４に投影、露光転写して
いる。ウエハ４面上にはレジストが塗布されており、該
ウエハ４のレジストを公知の現像処理工程を介して、こ
れより半導体素子を製造している。

【００１８】本実施例ではこのときの露光動作に先立ち
レチクル１とウエハ４との相対的な位置合わせを行なっ
ている。レチクル１とウエハ４との相対的位置合わせは
検出系２によりウエハ４面上のアライメントマーク（位
置合わせマーク又はウエハマークという。）４ａの位置
情報を検出して行なっている。

【００１９】次にこのときの位置合わせ方法について説
明する。

【００２０】６２は光源であり、露光光の波長と異なっ
た波長の光束を放射する、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ等か
ら成っている。６３は回転拡散板であり、光源６２から
の光束を拡散させてファイバー６１の入射面６１ａに導
光している。

【００２１】ファイバー６１の射出面６１ｂから射出し
た光束を集光レンズ６４で集光し、開口絞り３７で光量
を調整し、その後照明用レンズ６５で集光して偏光ビー
ムスプリッター１３に入射させている。

【００２２】尚、開口絞り３７は後述するように照明系
のσを調整するのに用いている。

【００２３】偏光ビームスプリッター１３で反射した光
束は、順にλ／４板１６，対物レンズ１２，補正光学系
１１，ミラー１８そして投影光学系３を介してウエハ４
面上のアライメントマーク４ａを照明している。

【００２４】アライメントマーク４ａは例えば図７や図
１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｘ方向とＹ方向の矩
形パターン又はＸ方向とＹ方向に平行な複数の平行線の
パターンより成っている。

【００２５】尚、補正光学系１１はアライメントマーク
４ａからの光束が投影光学系３を通過するときに発生す
る諸収差を補正するために用いている。

【００２６】ウエハ４面上のアライメントマーク４ａか
らの反射光束は順に投影光学系３，ミラー１８，補正光
学系１１，対物レンズ１２，λ／４板，偏光ビームスプ
リッター１３を介してエレクターレンズ１４に入射す
る。そしてエレクターレンズ１４によって撮像手段とし
てのＣＣＤカメラ１５の撮像面上にアライメントマーク
４ａの像を形成している。

【００２７】ここで撮像手段１５とレチクル１との位置
関係は予め求められている。

【００２８】３１は光学部材であり、レンズ群やシリン
ドリカルレンズ等から成り光路中に挿脱可能に構成して
おり、これにより２つの光学系を形成し撮像手段１５に
形成するアライメントマーク４ａの結像倍率を高倍と低
倍の２つに変化させている。

【００２９】本実施例では撮像手段１５で得られるアラ
イメントマーク４ａの位置情報よりウエハ４と撮像手段
１５との相対的な位置検出、即ちウエハ４とレチクル１
との相対的な位置検出を行なっている。

【００３０】本実施例では撮像手段１５に形成されるア
ライメントマーク４ａの結像倍率が光学部材３１を光路
中より退避させた第１光学系を構成するときに高倍とな
り、光路中に挿着した第２光学系を構成するときに低倍
となるようにしている。結像倍率は例えば第１光学系
（高倍）のとき２６０倍、第２光学系（低倍）のとき６
５倍となっている。

【００３１】本実施例では検出系２を結像倍率の異なる
複数（本実施例では２つであるが３つ以上あっても良
い。）の光学系を有するように構成している。そして複
数の光学系を利用することによりウエハ４面上のアライ
メント用の検出範囲及びアライメントマーク４ａの検出
分解能を種々と変えている。

【００３２】例えば撮像手段１５の撮像素子のピッチが
１３μｍであるとき、第１光学系（高倍）のときは±２
μｍの検出範囲を０．０５μｍ／Ｐｉｘの分解能で検出
し、第２光学系（低倍）のときは±１０μｍの検出範囲
を０．２μｍ／Ｐｉｘの分解能で検出している。

【００３３】本実施例では以上のように、光学部材３１
を光路中より挿脱させて検出系の結像倍率を種々と変え
ており、これにより図２に示すように、ターレット式に
エレクターレンズ１４ａ，１４ｂを光路中より挿脱させ
る方法に比べて、切換え精度の低下を防止し、高精度の
アライメントを可能としている。

【００３４】図３，図４、図５は各々本発明の位置検出
装置の実施例２，３，４の一部分の要部概略図である。
図中、図１で示した要素と同一要素には同符番を付して
いる。

【００３５】図３の実施例２では偏光ビームスプリッタ
ー１３からの光束をミラー３２で切換えることにより、
第１光学系としてのエレクターレンズ１４ａ又は第２光
学系としてのエレクターレンズ１４ｂに導光している。
そして各々の撮像手段１５ａ，１５ｂに異なった倍率で
アライメントマーク４ａの像を形成している。

【００３６】図４の実施例３では偏光ビームスプリッタ
ー１３からの光束を光分割器３３で２つの光束に分割し
て、各々第１光学系としてのエレクターレンズ１４ａと
第２光学系としてのエレクターレンズ１４ｂに導光して
いる。

【００３７】このとき高倍率と低倍率での結像倍率の値
を各々βＨ，βＬとしたとき光分割器３３の反射率Ｒ１
が

【００３８】

【数１】 となるようにしている。

【００３９】これにより高倍率と低倍率とで同一のＣＣ
Ｄカメラ（撮像手段１５ａ，１５ｂ）で光電変換したと
き信号レベルが同一となるようにしている。

【００４０】また異なる光電変換効率γ_H ，γ_L の撮像
手段１５ａ，１５ｂを用いる場合には光分割器３３の反
射率Ｒ２が

【００４１】

【数２】 となるようにしている。

【００４２】図５の実施例４では図４の実施例３に比べ
て、光分割器３３の代りに偏光ビームスプリッタ３４を
用い、かつ光路中に挿脱可能でかつ回動可能なλ／２板
３５を設けている。

【００４３】そして粗い検出の低倍率のときはλ／２板
３５を光路中に配置して、第２光学系とし、ウエハ４の
反射率に応じてλ／２板３５を回転させている。この場
合、Ｐ偏光がλ／２板３５によりＳ偏光となると全ての
光束は偏光ビームスプリッター３４で反射される。ま
た、高精度の検出の高倍率のときはλ／２板３５を光路
中より退避させて第１光学系としている。

【００４４】本実施例ではこれにより光束の有効利用を
図っている。尚、本実施例において回転したときの姿勢
精度が高い場合には、高倍率の検出時にλ／２板３５を
光路から逃がす必要はない。λ／２板３５の代りにＰＬ
ＺＴのようなＥＯ素子によって偏光方向を回転させるこ
とにより同じことが可能となる。このときもＰＬＺＴを
光路から逃がす必要はない。

【００４５】尚、以上の実施例１〜４において低反射率
のウエハの対応として、次の２つの方法により光量を向
上させている。 （３−１）照明系ＩＬの瞳の形状を変える（アライメン
トマークの一方向検出用のみ） （３−２）検出ウィンドウを拡げる また低段差のウエハからの像情報の高コントラスト化を
図るために、照明系のσ（＝照明系のＮＡ／取り込み系
のＮＡ）を小さくしている。

【００４６】具体的には図１の実施例１において、照明
系のσを小さくするために図６に示すような開口絞り３
７を設けている。

【００４７】図６において円形領域３８が全開口のＮＡ
であり、円形透明領域３９との比でσの値を決定してい
る。光量は開口絞り３７の透明領域３９の面積に比例す
る。低反射率のウエハの検出限界を向上させるために
は、透明領域３９の面積を広くする必要がある。

【００４８】そこで本実施例では次のような方法をとっ
ている。

【００４９】今アライメントマークの形状を図７に示す
様なＸＹマーク４０とする。このマーク４０の回折光Ｄ
_X ，Ｄ_Y は投影光学系３の瞳面で図８に示す方向とする
と、図９（Ａ），（Ｂ）に示すような開口絞り４１，４
２を切り替えて配置することにより、照明系のσを低く
する効果を保ったまま透明部４３，４４の面積を広くし
ている。これにより光量増加を図っている。

【００５０】シーケンスとしては開口絞り４１によりＸ
方向を検出し、次に開口絞り４２に切り替えることによ
りＹ方向を検出することになる（但しＸ，Ｙ方向の順は
不問）。

【００５１】本実施例ではアライメント精度向上のため
に、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すようなマークを使用し
ている。アライメント精度向上はエッジ長が増えたこと
による平均化効果とフォトレジストのアライメントマー
クへのカバーレージの向上により行なっている。このと
きも図９（Ａ），（Ｂ）に示すような開口絞り４１，４
２を切り替えて使用している。シーケンスは前述のＸＹ
マーク４０のときと同様であり、開口絞り４１，４２に
切り替えるのと同時にウエハを干渉計付きのＸＹステー
ジにより移動させている。

【００５２】本実施例では２つの検出系を設けてＸＹ方
向の位置情報を別々に検出し、開口絞り４１，４２を各
々の検出系に配置することにより切り替えを不要として
いる。検出系を２つ設ければピッチの細かい１次元ＣＣ
Ｄセンサーの使用が可能となり検出分解能を向上させる
ことができる。

【００５３】図１１，図１２は本発明の実施例５の要部
概略図である。

【００５４】本実施例では検出系の一部にシリンドリカ
ルレンズを用いて、光束を有効に集光して光量増加を図
っている。

【００５５】本実施例では２つの同じ検出系２ａ，２ｂ
を投影光学系３の上方に互いに９０度をなして相対配置
してＸ，Ｙ方向の位置検出に用いている。

【００５６】図１２は１つの検出系２をＡ−Ａ′方向か
ら見たときの要部概略図である。図中、図１で示した要
素と同一要素には同符番を付している。

【００５７】照明部５０に前述の開口絞り３７がある。
また光路中には回転し且つ出入りできるλ／２板３５、
偏光ビームスプリッタ３４が配置されている。低倍率の
光学系５１には二次元ＣＣＤカメラ１５を配置してい
る。

【００５８】高倍率の光学系にはシリンドリカルレンズ
４６、一次元ＣＣＤセンサー４７を配置している。シリ
ンドリカルレンズ４６で検出方向と直行する方向を光学
的に積分したものは、二次元ＣＣＤカメラ１５を使用し
てシリンドリカルレンズ４６で光学的に積分した領域
分、電気的に積分したことと同様である。シリンドリカ
ルレンズ４６で検出方向と直行する方向を光学的に積分
するときに、一次元ＣＣＤセンサー４７面で結像させる
必要は必ずしもない。

【００５９】一次元ＣＣＤセンサー４７の一画素の大き
さの中に入るよう光が集まれば良い。どの領域を積分す
るか限定するために、図１２の視野絞り４８を中間像位
置に配置すれば良い。この視野絞り４８とマークとの関
係を図１３に示す。マーク４９ｂの検出方向と直行する
方向の長さＬ_m より、この視野絞り４８の長さＬ_a を小
さい寸法にすることにより限定できる。

【００６０】このとき一次元ＣＣＤ４７の画素の数が多
くあるものを使用して検出範囲が±１０μｍとか低倍率
の光学系と同等となるならば、低倍率の光学系をもつ必
要はない。

【００６１】尚、本発明に係る位置検出装置は露光光Ｔ
ＴＬ方式やｏｆｆ−ａｘｉｓ方式の露光装置にも同様に
適用することができる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、ウエハ面
上の位置合わせマーク（ウエハマーク）を撮影光学系を
介して検出系によりレチクルと予め位置合わせが行なわ
れている撮像手段面上に適切なる結像倍率で形成し、該
位置合わせマークの位置情報を検出することによりレチ
クルとウエハとの相対的な位置合わせを高精度に行なう
ことができる位置検出装置及びそれを用いた半導体素子
の製造方法を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 従来のターレット式の切り替え装置の説明図

【図３】 本発明の実施例２の一部分の概略図

【図４】 本発明の実施例３の一部分の概略図

【図５】 本発明の実施例４の一部分の概略図

【図６】 図１の開口絞りの説明図

【図７】 図１のアライメントマークの説明図

【図８】 図１のアライメント方向の説明図

【図９】 本発明に係る開口絞りの説明図

【図１０】 本発明に係るアライメントマークの説明図

【図１１】 本発明の実施例５の要部概略図

【図１２】 本発明の実施例５の要部概略図

【図１３】 図１２のアライメントマークの説明図

【符号の説明】

ＩＬ 露光照明系 １ レチクル ２ 検出系 ３ 投影光学系 ４ ウエハ ４ａ アライメントマーク １１ 補正系 １２ 対物レンズ １３，３３ 偏光ビームスプリッター １４，１４ａ，１４ｂ エレクターレンズ １５，１５ａ，１５ｂ 撮像手段 １６ λ／４板 ３１ 光学部材 ３２ ミラー ３７ 開口絞り

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上のパターンを第２物体面上
   に投影する投影光学系を介して該第２物体面上に設けた
   位置合わせマークを検出系により撮像手段面上に形成
   し、該撮像手段からの出力信号を利用して該位置合わせ
   マークの位置を検出する際、該検出系は異なる倍率の複
   数の光学系を有し、該複数の光学系により該撮像手段面
   上に異なった倍率の位置合わせマークを形成しているこ
   とを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記検出系は光路中に光学部材を挿脱す
   ることにより倍率の異なる複数の光学系を形成している
   ことを特徴とする請求項１の位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記複数の光学系のうちの一つの光学系
   はシリンドリカルレンズを有し、該光学系に対応する撮
   像手段は１次元ＣＣＤセンサーより成っていることを特
   徴とする請求項１又は２の位置検出装置。
4. 【請求項４】 レジストが塗布されたウエハ面上のウエ
   ハマークの位置を投影光学系と検出系とを介して撮像手
   段面上に形成し、該撮像手段面上のウエハマーク像の位
   置情報よりマスク面上のパターンとウエハ面上のパター
   ンとの相対的位置検出を行なった後にマスク面上のパタ
   ーンを投影光学系によりウエハ面上のレジストに投影露
   光し、次いで該ウエハのレジストを現像処理して半導体
   素子を製造する際、該検出系は異なる倍率の複数の光学
   系を有し、該複数の光学系により該撮像手段面上に異な
   った倍率のウエハマーク像を形成していることを特徴と
   する半導体素子の製造方法。