JPH06302499A - 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位置検出装置によ
り、該第１物体面と位置合わせを行った第２物体面上に
投影光学系を介して投影する際、該第２物体はその面上
に多層の透明膜を設けており、該位置検出装置は該第２
物体面上の所定面の位置情報を検出しており、該位置情
報に基づいて共焦点顕微鏡を利用して該第２物体を光軸
方向に移動していること。

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
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
を図る為の重要な一要素となっている。

【０００３】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。

【０００４】レチクルとウエハとの相対的な位置検出
（アライメント）を行なう一方法に投影レンズを介して
行なうＴＴＬ方式がある。

【０００５】このうちレチクル面上のパターンを照明し
ウエハ面上に焼き付ける際の露光光とは異なった波長の
光束を用いて所定面上の基準位置（基準マーク）とウエ
ハ面に設けたアライメントマークとの相対的位置検出を
行なう位置検出装置が種々と提案されている。

【０００６】本出願人は例えば特願平１−１９８２６１
号で所定面上、例えば撮像手段面上におけるアライメン
トマーク像を、ＣＣＤカメラ等の撮像手段を用いて観察
しながら高精度な位置検出が可能な観察方法及び観察装
置を提案している。

【０００７】又、位置検出装置において使用する光束の
波長幅が狭いと、例えばレジストを塗布したウエハ面上
のアライメントマークを観察する際、レジスト表面と基
板面からの反射光により干渉縞が多く発生し、検出誤差
の原因となってくる。

【０００８】このときの干渉縞を軽減する為に半値全幅
が数十ｎｍ程度のスペクトル幅が広い多色光束を放射す
る光源を用いてアライメントマークを観察するようにし
た投影露光装置が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の位置検出装置で
は検出光学系の光学深度とプロセスとの関係によってウ
エハ面上のアライメントマークのどの位置を検出してい
るのかを区別するのが難しいという問題点があった。こ
の問題点が位置検出精度を劣化させる一原因となってい
た。

【００１０】次にその理由を図面を用いて説明する。

【００１１】図７はアライメントマークの断面概略図で
ある。

【００１２】同図では簡単の為にシリコン（Ｓｉ）をエ
ッチングしてアライメントマークを作成し、その面上に
フォトレジスト（ＰＲ）を塗布した場合を示している。

【００１３】検出光学系でウエハ面をＣＣＤ等の撮像手
段面上に結像する場合、例えば、使用光束の波長λを６
３２．８ｎｍ、ウエハ面上でのＮ．Ａ＝０．５とすると
光学深度を±λ／２Ｎ．Ａ² とすれば±１．３μｍ（範
囲２．５μｍ）の深度となる。

【００１４】現在の半導体プロセスの多くは、このアラ
イメントマークの段差ｄ、レジスト厚Ｔ、は共に１μｍ
程度又はそれ以上となっている。

【００１５】又、照明光は図７に示すように、フォトレ
ジスト表面ＰＲＦで反射した反射光Ｌ１、フォトレジス
トＰＲの傾斜部で屈折して曲げられた屈折光Ｌ２、アラ
イメントマークのエッジ部で散乱した散乱光Ｌ３等、種
々の反射光があり、その全ての反射光によりＣＣＤカメ
ラの撮像素子面上にアライメントマーク像を作成する。

【００１６】フォトレジストＰＲの屈折率をＮとすると
幾何光学的光路長はＬ＋ｄ／Ｎとなり、光学深度と同等
のオーダーとなる。

【００１７】撮像素子面上でのアライメントマーク像は
フォトレジスト表面ＰＲＦからの反射光とウエハ面から
の反射光で構成していることとなり、どこの面を検出し
ているのか区別することができない。

【００１８】図８はウエハのプロセスによってアライメ
ントマークの断面形状が非対称となった場合を示してい
る。

【００１９】検出光学系では前述のようにフォトレジス
ト表面ＰＲＦ、ウエハの表面（Ｔｏｐ）ＷＦ、ウエハの
底面（Ｂｏｔｔｏｍ）ＷＢの区別なく各面からの反射光
を検出している為、例えばウエハ底面ＷＢに合わせたい
としても合わせることができない。

【００２０】図９はプロセスで、ウエハ面上の透明膜が
多層となっている場合を示している。

【００２１】Ｌｏｃｏｓでアライメントマークを作製
し、そのうえにＰＳＧを設ける。このときＰＳＧのカバ
レージが悪く、断面形状が非対称になると、画像信号が
非対称になり、Ｌｏｃｏｓが対称（誤差がない）で、そ
のＬｏｃｏｓに合わせたいとしてもＰＳＧの非対称性に
より、検出精度が劣化してくる。

【００２２】フォトレジストＰＲの塗布が悪いと、図１
０（Ａ）に示すようにアライメントマークの下方部が対
称でもフォトレジストＰＲがアライメントマーク近傍で
非対称な為に撮像手段からのビデオ信号の波形が図１０
（Ｂ）に示すように非対称となってくる。

【００２３】この結果、前述と同様にアライメントマー
クの位置検出精度が低下してくる。ビデオ信号の波形が
非対称になる原因としてはウエハの下地のパターンや、
その面上に設けた透明膜や半透明膜、レジスト等、種々
の要因があり、高い位置合わせ精度が要求されてくる
と、これらの要因は無視出来なくなってくる。

【００２４】本発明は透明膜が施されているウエハ面上
の、例えばウエハの底面の位置情報だけを検出するか、
又はウエハの上部の透明膜であるＬｏｃｏｓの位置情報
だけを検出することにより、プロセスのバラツキによる
位置情報の検出精度の向上を図った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。

【００２５】

【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位置検出装置により、該
第１物体面と位置合わせを行った第２物体面上に投影光
学系を介して投影する際、該第２物体はその面上に多層
の透明膜等を設けており、該位置検出装置は該第２物体
面上の所定面の位置情報を検出しており、該位置情報に
基づいて共焦点顕微鏡を利用して該第２物体を光軸方向
に移動していることを特徴としている。

【００２６】特に前記共焦点顕微鏡はスリット状ピンホ
ールを多数配置した回折格子を有しており、該回折格子
を光軸に対して斜方向に移動してコンフォーカルとして
いることを特徴としている。

【００２７】又、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アライメントマ
ークの位置情報を位置検出装置により検出してマスク又
はレチクル面上のパターンとウエハ面上のパターンとの
相対的位置合わせを行った後にマスク又はレチクル面上
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、該位置検出装置は該ウエハの
所定面の位置情報を検出し、該位置情報に基づいて共焦
点顕微鏡を利用して該ウエハを光軸方向に移動して位置
調整を行っていることを特徴としている。

【００２８】

【実施例】図１は本発明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。

【００２９】図中２３は投影光学系であり、照明系２８
からの露光光で照明された第１物体としてのレチクル２
１面上のパターンを第２物体としてのウエハ２２面上に
投影している。そしてウエハ２２を公知の現像処理工程
を介して半導体素子を製造している。

【００３０】尚、ウエハ２２は感光体として非感光波長
のアライメント波長には透明なレジストが塗布されてお
り、干渉計付のＸＹステージ２４上に配置されたティル
トと光軸方向に移動可能なティルトステージ２５上に固
定配置されている。

【００３１】ティルトステージ２５は、例えばピエゾ等
を駆動源としてサブミクロンの駆動精度で制御されてい
る。

【００３２】ＸＹステージ２４やティルトステージ２５
は各々レーザー測長器（不図示）でモニターし、各々移
動量を制御している。

【００３３】２９はウエハ露光用のＡＦ検出系である。

【００３４】１は共焦点（コンフォーカル）顕微鏡であ
り、投影光学系２３を介さない、所謂ｎｏｎ−ＴＴＬ−
ｏｆｆ Ａｘｉｓ顕微鏡として配置している。コンフォ
ーカル顕微鏡１にはレジスト面の位置情報を検出する焦
点検出系（ＡＦ検出系）２が設けられている。

【００３５】焦点検出系２はＡｉｒ方式や光学的な斜入
射方式等を利用してレジスト表面の位置情報を検出して
いる。

【００３６】コンフォーカル顕微鏡１は、例えば図１１
に示すように検出面２２と光学的に共役面にピンホール
３２を配置している。尚、Ｌ１は照明系である。

【００３７】検出面であるウエハ面２２がディフォーカ
スすると図１２に示すようにピンホール面３２で光束が
拡がりピンホールを通過する光束が減少する。

【００３８】この光学原理により、従来の光学系に比べ
て焦点深度の浅い検出光学系を構成している。

【００３９】図１３はコンフォーカル顕微鏡で２次元的
にウエハ面２２の位置情報を検出するときの要部概略図
である。図１３において３はニッポウ円盤であり、図１
４に示すように多数のピンホールを設けた円盤より成
り、軸３ａを中心に回転している。

【００４０】図１に戻り、２６は制御系であり、ウエハ
２２のウエハ面やレジスト面等の位置情報を検出制御し
ている。制御系２６には事前にプロセスの各種の情報を
入力している。

【００４１】例えば、図７においてはウエハ面に設けた
フォトレジストＰＲの厚さｔ、フォトレジストＰＲの屈
折率Ｎ、アライメントマークの段差量ｄ、それと合わせ
る面（例えばウエハの表面ＷＴ、又はウエハの底面Ｗ
Ｂ）等を入力する。

【００４２】次に本実施例におけるウエハ面の位置情報
の検出フローについて説明する。

【００４３】ステップ１．検出されるべき、ウエハ２２
面上のアライメントマークが、コンフォーカル顕微鏡１
の下方に位置するようにＸ−Ｙステージ２４を移動させ
る。

【００４４】ステップ２．ＡＦ検出系１２によりフォト
レジスト表面ＰＲＦを検出する。このときの値によりコ
ンフォーカル顕微鏡１のピント面までのＺ方向（光軸方
向）の駆動量Ｚ₀ を算出する。

【００４５】ステップ３．入力モード、例えばコンフォ
ーカル顕微鏡１をウエハ表面ＷＴに合わせるときはウエ
ハ２２をティルトステージ２５によりＺ₀ ＋Ｔ／Ｎだけ
Ｚ方向の駆動を行う。

【００４６】ステップ４．コンフォーカル顕微鏡１によ
りウエハ表面ＷＴの位置を検出する。

【００４７】尚、ウエハ底面ＷＢの検出のときはステッ
プ３でのＺ方向の駆動量はＺ₀ ＋（Ｔ＋ｄ）／Ｎとな
る。

【００４８】この様な値は予め既知量である為、検出位
置がフォトレジスト（ＰＲ）の表面ＰＲＦよりどれだけ
下方にあるかをあらかじめウエハを処理するジョブとリ
ンクして与える事により、アライメント信号検出の際の
フォーカス位置が決定される。

【００４９】従来は単純に像のコントラストを見て、そ
のピークを把えるといった低精度な方法しか無かった
が、本発明の様にコントラストでは無く、把えるべき位
置を予め設定する事により、より合理的且つ高精密な信
号を検出している。

【００５０】アライメントマークの段差の上の部分と下
の部分の情報を分離して検出し、両者の差を検出してど
ちらの情報が所望の値（例えば予め別手段、例えばレジ
スト塗布前のウエハのスケーリングの値が所望の値）に
近いかを、予めわかっているスケーリングや、均一な伸
縮成分からのバラツキを分析する事によって知り、検出
すべき信号を決定する、ようにしても良い。

【００５１】図２は本発明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２の要部概略図である。

【００５２】本実施例は図１の実施例１に比べてコンフ
ォーカル顕微鏡６を投影光学系２３を介して用いて、ウ
エハ面２２上の位置情報を検出するＴＴＬ−ｏｆｆ Ａ
ｘｉｓ顕微鏡として用いている点が異っており、その他
の構成は略同じである。

【００５３】コンフォーカル顕微鏡６の構成は図１に示
したものと基本的に同じである。

【００５４】ＡＦ検出系２９はウエハ２２の露光時に使
用するものをアライメントのときにも使っている。

【００５５】本実施例において「コンフォーカル」を達
成する為に「ニッポウ円盤」でなく、ピンフォールを使
用した場合は、Ｘ−Ｙステージ２４を移動又は走査する
ことにより、位置情報を検出することが必要となる。こ
の時、光電変換素子は図１３のＣＣＤカメラ等の撮像手
段４である必要はなく、たとえば図１１のＳｉディテク
タ３１でよく、又配置する位置も像面に置く必要はな
い。

【００５６】図３は本実施例に係るアライメントマーク
の概略図である。

【００５７】本実施例において、Ｘ−Ｙ方向のアライメ
ントマークを検出する場合にはＸ−Ｙステージ２４はＸ
方向に走査してＸ方向の位置情報を、又Ｙ方向に走査し
てＹ方向の位置情報を各々検出することになる。「コン
フォーカル」にするためのピンフォールの大きさで焦点
深度が決定される。一般に結像光学系の限界解像力くら
いのピンホール径が採用されるが、ピンフォール径が小
さくなると以下の２つの問題点が発生してくる。 （１−１）光量が少なくなる。 （１−２）検出時間が長くなる。

【００５８】特に（１−２）の検出時間について図３の
アライメントマークのＸ方向に着目して説明する。

【００５９】ピンフォール径を例えばウエハ上φ０．５
μｍとすると、走査線Ｓ１にピンフォールが結像関係と
なる様にしてＸ−Ｙステージ２４を駆動して走査する。
高精度な位置検出をする為には走査線をＳ１だけでなく
Ｘ−Ｙステージ２４をＹ方向に移動して走査線Ｓ２〜Ｓ
４の走査を行なう必要がある。このため、たとえば走査
線Ｓ１〜Ｓ４まで計４回走査することになり、時間がか
かってしまう。

【００６０】そこで、本発明ではアライメントマークに
あったスリット状のピンフォールを採用することによ
り、前記（１−１），（１−２）の問題点を解決してい
る。スリットの細い寸法は０．５μｍと、前述のピンフ
ォールの径と同じとし、長い寸法はアライメントマーク
の長さに応じたものとなる。端の影響を取り除く為に長
い寸法はアライメントマークの長さより少し短く、具体
的には図３のアライメントマークの場合では、走査線Ｓ
１からＳ４までの距離が相当する。端の影響を取り除く
為、長い寸法の長さはアライメントマークの長さより５
μｍ以上短い事が好ましい。

【００６１】図４は図３のアライメントマークに対して
構成したコンフォーカル顕微鏡の要部概略図である。

【００６２】同図では、スリット状ピンフォールはＰ
₁ ，Ｐ₂ と２ケあり、それぞれ図３のＸ−Ｙ方向のアラ
イメントマークに対応して９０°直交している。スリッ
ト状ピンフォールＰ₁ ，Ｐ₂ 用にそれぞれＳｉディテク
ター４１，４２が配置されている。まず、Ｘ方向にＸ−
Ｙステージ２４を一回走査してＳｉディテクター４１で
受光してＸ方向の位置検出を行なう。

【００６３】次にＸ−Ｙステージ２４を移動してＹ方向
のアライメントマークの位置をＳｉディテクター４２で
検出する。

【００６４】このとき図４のＹ方向は紙面と垂直の方向
となる。この時のフォーカス設定も実施例１の方法と同
様である。

【００６５】図４のスリット状ピンフォールＰ₁ ，Ｐ₂
をＸ方向、及びＹ方向に振動させ、Ｓｉディテクター４
１，４２のかわりにＣＣＤカメラにすることによりＸ−
Ｙステージ２４を走査することなしに本発明の目的を達
成するコンフォーカル顕微鏡が可能となる。

【００６６】また、図５（Ａ）の様なチップとアライメ
ントマークの時には図５（Ｂ）に示す様にＸ方向計測用
の顕微鏡７、Ｙ方向計測用の顕微鏡８を配置することも
できる。

【００６７】このとき顕微鏡７、８のスリット状ピンフ
ォールはそれぞれ１つであり振動する方向も１方向であ
る。そのため顕微鏡７、８は同一のものを角度を９０°
直交する様に配置すれば良いことになる。

【００６８】スリットを振動させるかわりに、液晶アレ
イシャッターの透明部を、あたかもスリットが振動する
様に駆動してコンフォーカル顕微鏡を作ることも可能で
ある。

【００６９】図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に液晶アレイ
シャッターの駆動例を示す。図６（Ａ）は透明部Ｔ１は
左にあり時間とともに図６（Ｂ）の透明部Ｔ２の様にす
すみ、図６（Ｃ）の透明部Ｔ３の様に右側に駆動する。
この駆動時間はＣＣＤカメラの蓄積時間の間に数回駆動
する様にする。液晶アレイシャッターを使うことにより
走査が高速で行なわれ、かつ振動のない検出光学系を作
ることができるので系の安定性が向上する。

【００７０】次に実施例１，２においてアライメント用
のＡＦ検出系２，２９のＦｏｃｕｓｏｆｆ ｓｅｔの決
め方について説明する。

【００７１】図１５はフォーカス測定用のマークであ
る。これはレチクル上のマークとして示してあり、黒い
部分がＣｒ、白い部分がＣｒのない透明な部分である。
ポジ型レジストを使用してウエハ上にレチクルパターン
を転写し現像するとＣｒ部のみレジストが残り、それを
使用してエッチングするとＣｒ部のない部分（図１５の
白い部分）のみ、へこむことになる。

【００７２】このマークに図１６に示す様な３つのウイ
ンドウＡ、Ｂ、Ｃの各計測を前述までのコンフォーカル
顕微鏡で実施する。この時の各計測値をＴＯＣ_A ，ＴＯ
Ｃ_B，ＴＯＣ_C とすると、

【００７３】

【数１】 として、この値Δをウエハのｆｏｃｕｓを変化させて計
測し、Δ＝φとなるＦｏｃｕｓ値をＦｏｃｕｓ ｏｆｆ
ｓｅｔとして決めている。

【００７４】もし、計測系に所定のｏｆｆ ｓｅｔがあ
る時には図１７に示す図１５と白黒反転したマークで同
様にＦｏｃｕｓ変化の値Δを計測し、その値Δが図１５
と一致したところのＦｏｃｕｓがＦｏｃｕｓ ｏｆｆ
ｓｅｔとなる。

【００７５】もしプロセスの歪が図１８（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）に示す様な場合には、値ΔはＤｅｆｏｃ
ｕｓで変化しない。

【００７６】図１８（Ｂ）が設計値（線幅Ｗ₀ ）とし
て、図１８（Ｂ）が凹マークで、εだけ右に歪でるとし
て、図１８（Ｃ）が凸マークでεだけ左側に歪でいると
する。この時計測するとε／２ずつ両方のマークに右側
にズレて計測され、値Δにはでてこないことになる。そ
の為、この時には線幅Ｗを計測し、その値が所定量の線
幅Ｗ₀ と一致したデフォーカス量をｄｅｆｏｃｕｓ ｏ
ｆｆ ｓｅｔとすればよい。

【００７７】図１８（Ｄ）にデフォーカス対線幅Ｗの計
測値をグラフ化した例を示す。凸マークはデフォーカス
を上にすると線幅Ｗは短くなり、凹マークは長くなる。
この場合Ｗ＝Ｗ₀ と凸凹とも一致したデフォーカス値
（図１８の例では底面（ｂｏｔｔｏｍ））がｏｆｆ ｓ
ｅｔとなる。

【００７８】プロセスが複雑で、この線幅Ｗ₀ が決まら
ない場合には、図１８（Ｅ）に示す様にウエハの中心ｓ
ｈｏｅのマークを所定値とすることもできる。もちろ
ん、この時凸マークと凹マークの線幅Ｗ₀ は異なること
になり、それはｏｆｆ ｓｅｔ処理すれば良い。

【００７９】以上、説明したように、実施例１，２では
コンフォーカル顕微鏡を使用してフォトレジスト表面か
ら所定量ズレた面を検出することによって、所望のプロ
セスとの位置合せを可能としている。

【００８０】又、図８や図９に示すような被測定物のと
きは、ＰＲ，ＰＳＧ，ＬＯＣＯＳの厚さと屈折率とどの
面に合わせるかを入力する。

【００８１】このことにより、プロセスの誤差により位
置合わせ精度の低下を防止した位置検出を可能としてい
る。

【００８２】尚、本発明においてはコンフォーカルとす
るスリット状ピンホールの代わりにスリット状ピンホー
ルを多数配置した回折格子（以下「グレーティング」と
称する。）状のものを計測方向に振動するようにして
も、前述と同様の効果が得られる。

【００８３】図１９にグレーティングＧの概略図を示
す。

【００８４】グレーティングＧの開口（透明）部Ｗ_０の
形状は１ヶのスリット状ピンホールの時と同様である。
そのピッチＰが小さいと隣りの開口部の光が回り込んで
ＤＣ成分のノイズ光となる。たとえば開口部の細い寸法
を０．５μｍ、ピッチを０．６μｍ（全てウエハ上寸
法）とすると、開口部Ｗ間の不透明部分は０．１μｍと
なり、開口部を透過した光がウェハをＤｅｆｏｃｕｓし
ている時に反射すると隣りの開口部に入ってきてしま
う。

【００８５】その為には透明部と不透明部の比率（デュ
ティ）は１：１以上に不透明部を大きくする必要があ
る。ただこの比例を大きくすると光量が下がってくる。

【００８６】今、開口部を０．５μｍと固定したとす
る。そうすると不透明部の比例が大きくなるのとピッチ
が大きくなるのとは等しいことになる。ＣＣＤカメラ等
で受光する場合は、ピッチが大きいとグレーティングを
振動させる姿勢精度による計測精度の劣化も発生する。

【００８７】ＣＣＤカメラの１ヶの受光セル１ヶに蓄積
時間の間に１回しかスリットの開口部が重なり合わない
場合を図２０を使用して説明する。１つの開口部Ｗ₁ は
ＣＣＤの蓄積時間の間に受光セルＤ１から受光セルＤ５
まで移動するとする。

【００８８】この時開口部のピッチＰを受光セル５ヶ分
と同じとすると、もう１つの開口部Ｗ₂ はその時受光セ
ルＤ６から受光セルＤ１１まで移動することになる。

【００８９】この移動する速さにムラがある時には光量
は逆比例して、光電変換後の信号波形の歪の原因とな
り、アライメント精度劣化につながる。

【００９０】そのため１つの受光セルを多数の開口部が
通過する様にしてムラがランダムに発生する場合には、
平均化効果により、開口部Ｗの姿勢精度による不均一走
査による計測精度劣化を解消している。

【００９１】次に具体的に数値例を用いて説明する。

【００９２】尚、以下は特にことわりがなければウェハ
面上での換算値とする。

【００９３】 ＣＣＤカメラの受光セル間のピッチ Ｐ_c ０．２μｍ ＣＣＤカメラの蓄積時間 Ｔ_c ３０ｍＳｅｃ グレーティングのピッチ Ｐ_g ２μｍ グレーティングの開口部 Ｗ_a ０．５μｍ グレーティングの移動の速さ Ｖ ０．５ｍｍ／Ｓｅｃ 尚、光電変換後の処理等の時間Ｔ_P は、まず『０Ｓｅ
ｃ』として数値例を考えるとする。

【００９４】一つの受光セルを蓄積時間内にグレーティ
ングの開口部が透過する回数Ｎは、Ｎ＝Ｖ＊Ｔ_c ／Ｐ_g
＝５００＊０．０３／２＝７．５回となる。

【００９５】ＣＣＤカメラで受光する光量は、この回数
Ｎに比例する。

【００９６】速さの『ムラ』を平均化により解消するた
めにもこの回数Ｎが多いほうが良い。回数Ｎを大きくす
るには、速さＶと蓄積時間Ｔ_c を大きな値とするか、ピ
ッチＰ_g を小さな値とする必要がある。光量は、グレー
ティングＧのデュティーＤと開口部Ｗ_a にも比例する。

【００９７】上記の場合は、Ｄ＝Ｗ_a ／Ｐ_g ＝４ 次にオートフォーカス機能も同時に持ったコンフォーカ
ル検出方式について説明する。

【００９８】これはコンフォーカルとするピンホール
（ピンホール板）を光軸方向にも移動させることによっ
て達成している。

【００９９】図２１は本発明の実施例３の要部概略図で
ある。同図ではグレーティング移動タイプに適用した場
合を示している。

【０１００】図２１はウエハ１０６を投影光学系１０５
を透して検出する場合である。ファイバー１０１から射
出した照明光１０２は偏光ビームスプリッタ１０３を介
してＳ成分のみ反射されて、グレーティング１０４を透
過する。更に投影光学系１０５を透過して、ウエハ１０
６上のアライメントマークを照明する。反射した光は、
再度投影光学系１０５と、グレーティング１０４を透過
することにより『コンフォーカル』な検出を可能として
いる。

【０１０１】図２２は図２１に示している矢印側から見
た概略図である。グレーティング１０４を光軸１０７に
対して、図中の矢印の方向のように、斜めに移動させて
いる。

【０１０２】計測方向には、移動するので『コンフォー
カル』とすることは、前述までと同様である。光軸方向
に移動しながら画像を受光して、グレーティング１０４
の位置が、ウエハ１０６と光学的に共役となった位置
で、その全受光光量が、最大となることにより、オート
フォーカス機能を可能としている。

【０１０３】図２２に示す、速さＶでグレーティング１
０４は光軸とのなす角θで移動するとすると、光軸方向
へ移動する速さＶ_z と、ウエハ位置を計測する方向へ移
動する速さＶ_x は以下のようになる。

【０１０４】Ｖ_z ＝Ｖ Ｃｏｓθ Ｖ_x ＝Ｖ Ｓｉｎθ 対物レンズＬＥＮＳを介してＣＣＤカメラ１１４で受光
するときには、蓄積時間Ｔ_c の間で光軸方向の変化を、
光学深度内とすると、深度ＤＯＦを０．２μｍとする
と、 ＤＯＦ≧Ｖ_z ＊Ｔ_c より ０．２／０．０３＝６．６７≧Ｖ_z （μｍ／Ｓｅｃ）と
なる。

【０１０５】今までの数値は、ウエハ１０６上で算出し
ていたが、グレーティング１０４上でいくつになるかこ
れから算出するとする。

【０１０６】グレーティング１０４を、位置検出するウ
エハ１０６から、光学倍率２０倍のところに置くとする
と、速さＶ_z は、 ０．２＊２０² ／０．０３＝２．６７≧Ｖ_z （ｍｍ／Ｓ
ｅｃ） の条件となる。

【０１０７】ここでＶ_z ＝２．６７，Ｖ＝１０ｍｍ／Ｓ
ｅｃとすると、Ｖ_z ＝Ｖ Ｃｏｓθより θ＝Ｃｏｓ^-1（２．６７／１０）＝７４．５（ｄｅｇ）
となる。

【０１０８】Ｖ_x ＝Ｖ Ｓｉｎθより、 Ｖ_x ＝１０＊Ｓｉｎ（７４．５）＝９．６４（ｍｍ／Ｓ
ｅｃ）となる。

【０１０９】蓄積時間Ｔ_c の間で計測方向の変化量Ｓ_c
は、 Ｓ_C ＝Ｔ_c ＊Ｖ_x ＝０．０３＊９．６４＝０．２８９
（ｍｍ）となり、ウエハ１０６上では、光学倍率２０倍
で割って、１４．５（μｍ）となる。

【０１１０】グレーティング１０４のピッチを１μｍと
すれば、ＣＣＤカメラ１１４の一つの受光セルを、蓄積
時間内にグレーティング１０４の開口部が透過する回数
Ｎは、１４．５回となる。

【０１１１】光軸方向には、速さＶ_z （＝ＶＣｏｓθ）
でグレーティング１０４は移動するので、連続に計測可
能である最短時間Ｔ_R を、 Ｔ_R ＝Ｔ_C ＋Ｔ_P とすると、 Ｚ＝Ｖ_z ＊Ｔ_R の間隔でオートフォーカスのための検
出、または位置計測が可能となる。

【０１１２】Ｔ_R ＝５０ｍＳｅｃとすれば（Ｔ_P ＝２０
ｍＳｅｃ） Ｚ＝２．６７＊０．０５／２０² ＝０．３３μｍとな
る。

【０１１３】この数値例では、０．３３μｍピッチで計
測ができることになる。

【０１１４】オートフォーカスをする時には、グレーテ
ィング１０４の移動の速さの均一姓は必要ない。その為
図２２の白矢印１０９の方向には均一移動可能とせずに
フォーカスを計測し、フォーカスが判明してから、その
値だけウエハ１０６を動かしてフォーカスを合わせて、
逆の矢印１０８の方向に均一に移動させることにより、
ウエハ１０６の位置を検出するようなシーケンスも考え
られる。

【０１１５】もちろん計測が同時にできるのであれば、
フォーカスと位置検出を一回の移動で行うこともでき
る。

【０１１６】以上のようにすることにより、オートフォ
ーカス機能も同時に持ったコンフォーカル検出方法が可
能としている。

【０１１７】グレーティング１０４を光軸方向に移動さ
せると、グレーティング１０４とＣＣＤカメラ１１４と
の結像関係がズレてオートフォーカスは可能でも、デフ
ォーカスすることで像コントラストは低下してしまう。

【０１１８】その対応策として、 （２−１）グレーティング１０４以後の光学系もグレー
ティングと同量移動する。

【０１１９】（２−２）グレーティング１０４の移動量
分だけ光路長を逆補正する。

【０１２０】この補正の姿勢精度が悪いと検出の精度劣
化の原因となる。

【０１２１】そこでグレーティング１０４とウエハ１０
６との間に参照するマークを配置して、補正している時
にその参照マークも同時に検出することにより、姿勢精
度が悪くても、検出の精度劣化とならないようにするこ
とが可能である。

【０１２２】又、姿勢精度が悪いが、再現性がある場合
には、ウエハ検出する前に、そのズレ量を求めておい
て、オフセットとして処理することもできる。

【０１２３】図２２には、光路長を逆補正した補正系１
０１を用いた概略図を示している。同図においては、グ
レーティング１０４が速さＶ_z で移動した時光路長の補
正系１０１は速さＶ_z ／２で光路が一定となる様に動け
ばよい。

【０１２４】図２１に参照マーク１１２を配置し、照明
系１１３で照明した例を示す。

【０１２５】アライメント光とは別の波長の光を放射す
るＬＥＤ等の照明系１１３から参照マーク１１２を照明
しダイクロミラー１１１で反射してＣＣＤカメラ１１４
で受光される。

【０１２６】図２３はこのときのグレーティング１０４
の拡大説明図である。

【０１２７】同図において中央はグレーティングの形状
で周辺に参照マーク用の窓Ｗ_s1 ，Ｗ_s2 が透明にして
ある。この時グレーティング１０４が横に移動しても参
照マーク１１２がＣＣＤカメラ１１４で受光できる様窓
Ｗ_s1 ，Ｗ_s2の幅は決定されている。

【０１２８】本実施例では以上のようにしてウエハ１０
６面の位置情報を移動可能なグレーティング１０４やＣ
ＣＤカメラ１１４等を利用して検出している。

【０１２９】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、透明膜が
施されているウエハ面上の、例えばウエハの底面の位置
情報だけを検出するか又はウエハの透明膜、たとえばＬ
ｏｃｏｓの位置情報だけを検出することにより、プロセ
スのバラツキによる位置情報の検出精度の向上を図った
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】本発明の実施例２の要部概略図

【図３】図２のアライメントマークの説明図

【図４】本発明に係るコンフォーカル顕微鏡の説明図

【図５】本発明に係る図４の一部分の説明図

【図６】液晶アレイシャッターを用いたときの撮像素子
面上の説明図

【図７】フォトレジストとウエハマークとの断面説明図

【図８】フォトレジストとウエハマークとの断面説明図

【図９】フォトレジストとウエハマークとの断面説明図

【図１０】フォトレジストとウエハマークとの断面説明
図

【図１１】本発明に係るコンフォーカル顕微鏡の要部概
略図

【図１２】本発明に係るコンフォーカル顕微鏡の要部概
略図

【図１３】本発明に係るコンフォーカル顕微鏡の要部概
略図

【図１４】ニッポウ円盤の説明図

【図１５】本発明に係るフォーカス測定用のマーク

【図１６】本発明に係るフォーカス測定用のマーク

【図１７】本発明に係るフォーカス測定用のマーク

【図１８】本発明に係るフォーカス測定用のマークの断
面説明図

【図１９】本発明に係るグレーティングの説明図

【図２０】本発明に係るＣＣＤカメラの撮像素子の説明
図

【図２１】本発明の実施例３の要部概略図

【図２２】図２１の一部分の説明図

【図２３】図２１の一部分の説明図

【符号の説明】

１，６ コンフォーカル顕微鏡 ２，２９ 焦点検出系 ２１ レチクル（マスク） ２２，１０６ ウエハ ２３，１０５ 投影光学系 ２４ ＸＹステージ ２５ ティルトステージ ２６ 制御系 ３２ ピンホール １０４ 回折格子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上のパターンを位置検出装置
   により、該第１物体面と位置合わせを行った第２物体面
   上に投影光学系を介して投影する際、該第２物体はその
   面上に多層の透明膜等を設けており、該位置検出装置は
   該第２物体面上の所定面の位置情報を検出しており、該
   位置情報に基づいて共焦点顕微鏡を利用して該第２物体
   を光軸方向に移動していることを特徴とする位置検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記共焦点顕微鏡はスリット状ピンホー
   ルを多数配置した回折格子を有しており、該回折格子を
   光軸に対して斜方向に移動してコンフォーカルとしてい
   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】 レジストが塗布されたウエハ面上のアラ
   イメントマークの位置情報を位置検出装置により検出し
   てマスク又はレチクル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合わせを行った後にマスク又はレ
   チクル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、該位置検出装置は
   該ウエハの所定面の位置情報を検出し、該位置情報に基
   づいて共焦点顕微鏡を利用して該ウエハを光軸方向に移
   動して位置調整を行っていることを特徴とする半導体素
   子の製造方法。