JPH0663729B2

JPH0663729B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH0663729B2
Application number: JP61249472A
Authority: JP
Inventors: 雄三加藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-10-22
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPS63103902A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、物体の位置を求める位置検出装置に関する。
この位置検出装置は、例えば、半導体焼付装置において
第１の物体としてのレチクルおよび第２の物体としての
ウエハ間の位置関係を求めるのに用いられるが、特に雑
音や歪の多い信号に対しても好適なものである。

［従来技術］従来、半導体焼付装置には光学アライナやＸ線アライナ
があるが、これらの装置では焼付けに先立ちマスクとウ
エハの位置合せを行なっている。

この位置合せにおいては、マスクとウエハ上に設けられ
た両者の位置関係を知ることのできるアライメント・マ
ークを光あるいは電子線により検出してマスクとウエハ
間の位置関係を求めている。

ウエハ上のアライメント・マークはウエハ基板上に作ら
れた段差構造をもつもので、位置合せの際にはこの上に
レジストをサブミクロンないし数ミクロンの厚さで塗布
する。このため、ウエハ上のアライメント・マークはレ
ジスト層を介して検出することになる。

［発明が解決しようとする問題点］このようにレジスト層を介して検出する場合、光（特に
レーザ光）は、レジスト表面で反射や屈折し、レジスト
層で多重反射し、またレジストの表面と裏面からの反射
光が干渉する。また、電子線はレジスト層で散乱する。
これらの効果（以下レジスト効果と呼ぶ）のために検出
信号のＳ／Ｎやコントラストおよび解像力は低下する。

このため、マスクとウエハ間の位置関係を検出する精度
は低下し、従って位置合せ精度が低下するという問題点
があった。

この問題を解決するために、本発明者等は、先に、粗い
位置検出と細かい位置検出の２段階の位置検出を行なう
位置検出装置を案出した。この装置は、細かい位置検出
では予め用意した参照信号と検出信号との部分相関処理
を行ない、その後部分相関処理で得た信号のピーク位置
を検出することにより位置検出を行なうものである。し
かし、この方式は、雑音の大きな信号ではピーク位置を
検出することが困難であるといった欠点がある。

以下、具体例に基づき、従来例および先の提案に係る位
置合せ装置について詳細な説明を行なう。

第７図は、従来例および先の提案に係る位置合せ装置で
検出するマークおよび検出信号の一例を示す図である。
同図において、１〜４はマスク上のアライメント・マー
ク、５はウエハ上のアライメント・マーク、６はレーザ
光あるいは電子線の走査線、７〜10はマーク2,5および
４と走査線６とが交叉したところから発生する検出信
号、11は信号７〜10の各信号の中心位置を求めるため各
信号を２値化するスライス・レベルである。

以下、同図を用いて従来法によるマスクのアライメント
・マークとウエハのアライメント・マークとのずれ量を
求める手順を説明する。

マスクとウエハとの位置関係を検出するとき、まず、マ
スク上のアライメント・マーク１〜４とウエハ上のアラ
イメント・マーク５をレーザ光あるいは電子線で互いに
直交する２方向に走査し、各マークと交叉したところで
散乱する光あるいは反射電子や２次電子をディテクタで
検出する。これにより、各走査方向について信号７〜10
に示すような電気的パルス信号が得られる。各走査方向
について処理は全く同様になるので、ここでは図示の方
向に走査した場合について説明する。マスクのマーク2,
4とウエハのマーク５との間の距離を求めるためには信
号７〜10の各信号の中心位置を求める必要があるので、
次に、これら各信号をスライス・レベル11で２値化した
矩形状信号とし、各矩形状信号の中心位置を各信号の中
心位置として求める。

そして、マスクのマーク２からの信号７とウエハのマー
ク５からの信号８の中心位置間の距離をt1、同じく信号
９と信号10の中心位置間の距離をt2とし、ウエハのマー
クの位置がマスクのマークの位置の中心にあるとき位置
合せした状態とすれば、ずれ量ｄはｄ＝（t1−t2）／２（１）により求めることができる。

この従来例において位置合せ精度をよくするためには、
ずれ量、言い換えれば信号間の距離、さらに言い換えれ
ば各信号の中心位置の検出精度をよくする必要がある。
そして、各信号の中心位置の検出精度をよくするための
必要条件は各信号の波形がピーク位置を中心に対称であ
ることである。通常、この条件を満足するようにアライ
メント・マークの線巾およびスポット径などが設定され
る。

ところが、上述したように、位置合せの時にはウエハ上
のアライメント・マークの上にレジストをサブミクロン
から数ミクロンの厚みで塗布する。このためアライメン
ト・マークの検出はレジストを通して行うことになり、
前記レジスト効果およびレジスト膜厚の不均一さのため
信号は歪み、信号波形の対称性は崩れる。すなわち、第
８図に示すように、信号の歪は中心位置の検出誤差を生
じ、位置合せ精度を低下させる。

このため、先の提案に係る位置合せ装置においては、位
置検出の際に検出した信号と参照信号との部分相関を行
なって位置合せ精度を向上させている。

第９図は先に案出した位置合せ装置の構成を示す。同図
において、21はマスク、22はウエハ、23および24はマス
クおよびウエハ上のアライメント・マークから信号を検
出する光あるいは電子線の光学系、25はＸ方向、Ｙ方向
および回転方向への移動が可能なウエハ22を保持するス
テージ、26,27および28はそれぞれステージ25をＸ方
向、Ｙ方向および回転方向に移動させる駆動装置、29は
信号検出装置、30は信号処理装置、31は記憶装置、32は
位置検出装置、33はCPU、34は駆動装置26,27および28を
制御する制御装置、35は粗い位置検出装置である。

第10図は、第９図の装置の処理の流れ図である。

同図において、ステップ41は信号検出処理、ステップ42
は粗い位置検出処理、ステップ43は部分相関処理、ステ
ップ44は各信号のピーク位置検出処理、ステップ45はマ
スクとウエハの位置関係を検出する処理、ステップ46は
マスクとウエハを所定の位置関係に合せる処理である。

以下、第10図の処理の流れ図を参照しながら第９図の装
置の動作の詳細な説明を行なう。

まず、信号検出処理（ステップ41）では、信号検出装置
29により、２組の光学系23および24を用いてそれぞれ互
いに直交する２方向に走査してマスクとウエハのアライ
メント・マークからの信号を検出する。２カ所を２方向
に走査するため、第７図のアライメント・マークでは、
同図の信号７〜10に示すような時系列信号が４組得られ
る。また、信号に含まれる高周波数領域の雑音はロー・
パス・フィルタで除去する。ここで、第７図に示すアラ
イメント・マークを用いれば、信号検出装置29によって
得られる信号は第11図のようになる。同図の信号50〜53
はそれぞれマスクおよびウエハ上のアライメント・マー
ク2,5および４から検出されたものである。

次に、粗い位置検出処理（ステップ42）では、粗い位置
検出装置35により、信号を２値化して矩形状の信号波形
とした時の信号50〜53の各信号の中心位置が求まる。こ
れらをＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３およびＴ_４とする。信号中に雑
音や歪があるとき、これらの値の精度は0.1〜1.0ミクロ
ン程度となり充分と言うことはできない。すなわち、粗
い位置検出をしたことになる。

部分相関処理（ステップ43）では、信号処理装置30によ
り、参照信号54と各信号50〜53との部分的な相関処理
を、それぞれここで、ｇは参照信号ｆ_１は信号50 ｈ_１は信号55 Ｔ_１＋ａ＞ｘ＞Ｔ_１−ａａは信号の幅ここで、ｇは参照信号ｆ_２は信号51 ｈ_２は信号56 Ｔ_２＋ａ＞ｘ＞Ｔ_２−ａここで、ｇは参照信号ｆ_３は信号52 ｈ_３は信号57 Ｔ_３＋ａ＞ｘ＞Ｔ_３−ａここで、ｇは参照信号ｆ_４は信号53 ｈ_４は信号58 Ｔ_４＋ａ＞ｘ＞Ｔ_４−ａなる処理として行ない、第11図の信号55〜58を求める。
この処理は、普通の相関処理に比べて積分範囲が狭くか
つ変数ｘのとる範囲も狭いから、処理に要する時間は大
幅に短縮されている。また、変数ｘのサンプル間隔を狭
くすれば、検出精度を向上することもできる。

各信号のピーク位置検出処理（ステップ44）では、位置
検出装置32により、信号55〜58の各信号のピーク位置す
なわち信号50〜53の各信号の中心位置を検出する。

マスクとウエハの位置検出処理（ステップ45）では、こ
のようにして求めた各信号のピーク位置から、CPU33に
より信号55と信号56および信号57と信号58の各距離t1と
t2を求める。このとき、第７図のアライメント・マーク
において、ずれ量は前記（１）で求まる。

以上の処理は、２箇所のアライメント・マークを互いに
直交する２方向に走査して得た４組の時系列信号に対し
て行ない、右のアライメント・マークからはＸ方向およ
びＹ方向のずれ量dXrとdYrを求め、左のアライメント・
マークからはＸ方向およびＹ方向のずれ量dXlとdYlを求
める。

これらの結果より、Ｘ方向、Ｙ方向および回転方向のず
れ量を、 dX＝（dXr＋dXl）／２（２） dY＝（dYr＋dYl）／２（３） dR＝（dYr＋dYl）／Ｄ（４）ここで、dRは回転方向のずれ量Ｄはアライメント・マーク間の距離により求める。

位置合せ処理（ステップ46）では、（２）式から（４）
式のずれ量を無くするように、制御装置34の制御の下で
駆動装置26,27および28によりステージ25を移動させ、
マスクとウエハの位置合せを終了する。

しかしながら、このような方法によれば、前述したよう
に、アルミ粗面から信号を検出する時のように雑音や歪
が特に大きなものに対しては、相関処理した信号からピ
ーク位置を検出することが困難であるといった場合があ
る。

本発明は、この問題点を解決することを目的とする。

［問題点を解決するための手段および作用］本発明は上記問題点を解決するため、物体上のアライメ
ント・マークからの光信号を電気的信号列として検出
し、該信号の位置に基づき物体の位置関係を求める位置
検出装置において、上記各信号の位置は粗検出した後そ
の近傍で部分相関処理により高精度で求め、上記アライ
メント・マークは繰返しパターンで構成して部分相関処
理における位置検出精度を高めかつ雑音の影響を抑えて
いることを特徴とする。

また、上記繰返しパターンの繰返しの周期を雑音の周期
と異ならせ、上記粗検出においては上記繰返しパターン
からなるアライメント・マークからの信号の中心位置を
バンド・パス・フィルタ処理により周期的な雑音の成分
を排除して求めるようにしている。

［実施例］以下、図面に基づき本発明の実施例を説明する。

まず、本実施例の原理を説明する。

従来、位置合せは、数ミクロン程度の精度の粗い位置合
せと0.1ミクロン程度の精度の細かい位置合せの２段階
の位置合せを行なっている。本実施例は細かい位置合せ
におけるもので、この段階ではアライメント・マークか
ら検出できる信号の順序は決まっており、第７図のアラ
イメント・マークを用いたとすれば同図の信号７がマス
ク、信号８と信号９がウエハ、そして信号10がマスクか
らの信号となる。また、信号７と信号８の距離は所定の
値から粗い位置合せ精度の誤差範囲までの間にある。す
なわち、信号７と信号８の距離は凡そ決っている。

また、信号７と信号10および信号８と信号９はそれぞれ
所定の距離間隔を持つペアの信号すなわち信号７と信号
10および信号８と信号９はそれぞれ１つの信号と見なす
こともできる。

以上より、信号７〜10の特定の信号に対して、あるいは
信号７と信号10および信号８と信号９のペアの信号に対
して特定の信号処理を行なうことが可能である。

従来、相関処理は２つの関数ｆ（ｘ）とｇ（ｘ）に対し
てと定義されるが、例えば関数ｆ（ｘ）の一部と関数ｇ
（ｘ）の相関処理を行なうものおよび関数ｆ（ｘ）中の
特定部分に対する相関処理を行なうものを部分相関処理
と呼ぶ。

第２図は、このような相関処理の例を示す図である。同
図において、80は参照信号、81は検出信号、82は参照信
号80と検出信号81との相関関数、83は歪のある検出信
号、84は参照信号80と検出信号83との相関関数、85は歪
のある検出信号、86は参照信号80と検出信号85との相関
関数である。

同図に示したように、検出信号の中心位置は相関関数の
ピークの位置から求まるが、雑音が非常に多い場合には
常に成り立つとは言えない。

一般に、相関法による雑音中から信号を精度高く検出す
るためには、次式ここで、ｓは信号ｎは雑音ｇは参照信号ｘはを最大にする値の値をできるだけ大きくすればよい。このためには、条件：を大きくする条件：を小さくすることが必要である。

まず、条件を満足させるには、例えば、ｓ（ｙ）＝ｇ（ｙ）（７）の場合を考えれば、となるが、これはｓ（ｙ）の自己相関関数であり、一般
に知られるように ●ｘ＝０で（８）式は最大となる ●（８）式の値を大きくするためには、信号のパワーを
大きくすればよいが成り立つ。

次に、条件を満足させるためには、雑音と相関性の少
ない参照信号（言い換えれば、信号）を用いればよい。

以上より、雑音が周期性を持つ場合、これと異る周期性
を持つ格子状パターンのアライメント・マークを用い、
従来例におけると同様に光あるいは電子線で走査して検
出すれば、条件と条件を幕属させることができる。
半導体焼付装置の位置検出では、ウエハからの検出信号
だけが多くの雑音を含むため、ウエハ上のアライメント
・マークのみを格子状パターンとしてもよい。また、条
件は検出精度を高める効果もある。

本実施例は、以上に示した原理により、雑音中の信号を
検出することを可能にする。

次に、本実施例を具体的に説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る位置合せ装置の構成
図、第３図は第１図の装置の処理の流れ図である。第１
および第３図において、第９および10図の先の提案に係
る装置の場合と異なるのは、第１図における粗い位置の
検出装置100、信号処理装置101と位置検出装置102およ
び第３図におけるステップ110の粗い位置検出処理、ス
テップ111の部分相関処理、ステップ112の各信号のピー
ク位置検出処理とステップ113のマスクとウエハの位置
検出処理である。

以下、第３図の処理の流れ図を参照し第１図の装置の動
作を説明する。

まず、信号検出処理（ステップ41）では、第４図に示す
アライメント・マークから同図下部に示すような信号を
検出する。同図において、121〜124はマスク上のアライ
メント・マーク、125はウエハ上のアライメント・マー
ク、126および127は光あるいは電子線を互いに直交する
２方向に走査するときの走査線、130はアライメント・
マーク122と走査線127とが交叉するところから検出する
信号、131〜136はアライメント・マーク125と走査線127
とが交叉するところから検出する信号、137はアライメ
ント・マーク124と走査線127とが交叉するところから検
出する信号である。

次に、粗い位置検出処理（ステップ110）では、粗い位
置検出処理装置100により、信号130および信号137と信
号131〜136の信号群との位置検出を行なう。ここで、雑
音が無い場合には、従来の実施例と同様にして信号130
と信号131の距離を求めること等によっても検出できる
が、雑音が信号と同じレベルにあるときは不可能であ
る。

ところで、雑音が周期性を持つ、いい換えればある周波
数のところにパワーが集中しているとき、これと異なる
周期性を持つ信号はアライメント・マーク125の格子状
パターンのピッチを適当に設定することにより実現で
き、本実施例ではそのように設定してある。そして、こ
のときのピッチで決まるアライメント・マーク125の信
号の周波数をｆ_０とすれば、アライメント・マークを構
成する格子の数は有限であるから、検出信号の周波数特
性は周波数ｆ_０を中心として広がりかつ則帯波を持つ。
従って、検出信号から周波数ｆ_０の近傍の周波数成分の
みを取り出せば、この中には雑音は含まれない。そし
て、この信号は信号131〜136の中心位置にピークを持
つ。

以上の理論に基づき、ここでは検出信号からウエハから
の信号を取り出し（これはブリ・アライメントの結果、
マスクとウエハの信号の距離はほぼ一定のため実現でき
る）、この信号成分を周波数ｆ_０の近傍を通すバンド・
パス・フィルタで処理する。そして、得られた信号のピ
ーク位置の検出を行なう。

これらの位置検出処理により、雑音の影響を受けること
なく、かつ高速に信号131〜136の中心位置を検出でき
る。

以上の位置検出法はアライメント・マークを構成する格
子パターンの数が少ないとき高い精度が保証されないか
ら粗い位置検出の手段として用いる。

部分相関処理（ステップ111）では、信号処理装置101に
より、マスクの信号およびウエハの信号に対して、それ
ぞれ相関処理を行なう。

この処理の様子を第５図に示す。同図において、140お
よび141は参照信号、142は参照信号140とマスク信号130
および137との相関関数、143は参照信号141とウエハの
信号131〜136との相関関数である。

各信号のピーク位置検出処理（ステップ112）では、位
置検出装置102により、相関関数142と相関関数143のピ
ークの位置を検出する。このピークの位置の距離がずれ
量である。

以上の処理は、先の提案におけると同様、２箇所のアラ
イメント・マークを互いに直交する２方向に走査して４
組の時系列信号に対して行ない、Ｘ方向、Ｙ方向および
回転方向のずれ量を求める。

位置合せ処理（ステップ46）では前述と同様にしてこの
ずれ量を補正し、位置合せを終了する。

［実施例の変形例］上述の実施例では第４図に示すアライメント・マークを
用いたが、この場合にはアライメント・マーク125に対
する走査線126および127の位置関係が制約される。

第６図はこのような制約を受けないアライメント・マー
クの例を示す。同図において、150および152はマスク上
のアライメント・マーク、151はウエハ上のアライメン
ト・マーク、153は光あるいは電子線の走査線である。

同図に示すアライメント・マークを用いれば、走査線は
制約を受けない。しかし、この場合には１つのアライメ
ント・マークからは１方向の情報しか得られないから、
Ｘ方向、Ｙ方向および回転方向の３方向の情報を得るた
めに３箇所にアライメント・マークを設けて、これ等を
１つあるいは複数の光学系により検出する。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、次のような効果
が得られる。

（１）例えばアルミ配線を焼き付ける工程での位置合せ
の際のように、Ｓ／Ｎの悪い信号による位置検出を可能
にする。

（２）検出信号の歪の影響を小さくする（３）信号波形の尖鋭度が高くなることにより検出精度
が向上する（４）信号処理を高速に行なうことができる（５）相関処理したもののピーク位置を精度よく検出で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る位置合せ装置の構成
図、第２図は、信号処理の一例を示す図、第３図は、第１図の装置の位置合せ処理を説明する流れ
図、第４図は、第１図の装置で検出するアライメント・マー
クと検出信号の一実施例を示す図、第５図は、信号処理の一実施例を示す図、第６図は、アライメント・マークと検出信号の他の実施
例を示す図、第７図は、従来例および先の提案で検出するアライメン
ト・マークおよび検出信号の一例を示す図、第８図は、波形歪と検出誤差の例を示す図、第９図は、先の提案に係る位置合せ装置の構成図、第10図は、第９図の装置の位置合せ処理を説明する流れ
図、第11図は、信号処理の一例を示す図である。 21:マスク、22:ウエハ、23,24:光学系、 25:ステージ、 26,27,28:ステージ駆動装置、 29:信号検出装置、33:CPU、 34:制御装置、100:粗い位置検出装置、 101:信号処理装置、102:位置検出装置、 121〜124:マスク上のアライメント・マーク、 125:ウエハ上のアライメント・マーク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】参照信号を発生する手段と、少なくとも繰
返しパターンを有する物体上のアライメント・マークか
らの信号を電気的信号列として検出する信号検出手段
と、該信号列における各信号の位置を比較的粗い精度で
検出する粗検出手段と、該粗検出手段により検出した各
信号の位置の近傍で上記参照信号発生手段により発生し
た参照信号と上記信号検出手段により検出した各信号と
を部分相関処理することにより該各信号の位置を高精度
で検出する微検出手段と、該微検出手段により検出した
各信号の位置関係に基づき上記物体の位置を求める位置
検出手段とを具備することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記物体はマスクまたはウエハである特許
請求の範囲第１項記載の位置検出装置。
【請求項３】前記繰返しパターンの周期が雑音の周期と
異なり、前記粗検出手段が前記信号検出手段により検出
された上記周期的パターンからの信号列の中心位置をバ
ンド・パス・フィルタ処理を介して検出するものである
特許請求の範囲第１項記載の位置検出装置。