JPH0691000B2

JPH0691000B2 - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH0691000B2
Application number: JP2249440A
Authority: JP
Inventors: 新一郎青木; 正樹山本; 健夫佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1990-09-18
Publication date: 1994-11-14
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH04127415A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、マイクロメータ以下の製造ルールが必要とさ
れる半導体（以下、LSIという）等の露光装置（以下、
ステッパーという）のフォトマスクと試料（ウエハ）と
の位置合わせを行う位置合わせ装置に関するものであ
る。

従来の技術 LSIの高密度化はとどまるところを知らず、現在ではｇ
線のステッパーで0.8μｍの線やパターンの投影露光を
実現し、4MDRAMの生産が開始されている。一方、エキシ
マレーザを用いた投影露光やＸ線露光により0.5μｍ以
下の線幅の解像も実現されつつあり、16MDRAMの製造も
現実のものとなろうとしている。

しかしながら、超微細なパターン転写のためには、高性
能なパターン転写光学系のほかに、解像線幅の1/5〜1/1
0オーダーでフォトマスクとウエハを高精度に位置決め
する技術が不可欠であり、0.25μｍ線幅の次世代のLSI
製造には0.1μｍ以下の位置合わせ精度が必要であると
言われている。

従来からのLSI製造時のフォトマスクとウエハの位置合
わせは、ウエハを装着したステージを露光光軸と垂直面
内で回転および直交２方向に平行移動し、ウエハに設け
た位置合わせマークの画像を捕えて位置合わせを行って
いたため、その位置合わせ精度は0.2μｍ程度であり、
サブミクロン素子を露光する場合には精度的に不十分で
あった。

サブミクロンの素子を露光する場合には、S.オースチン
（Applied Physice Letters vol.31 No.7,1977）らが示
した２重回折法を応用した方法や、光ヘテロダイン干渉
を上記の方式に応用し、かつギャップ制御を加えた方式
（1987春季第34回応用物理学関係連講演会予稿集28a−
Ｎ−５）が提案されている。以下、上記従来技術につい
て図面を参照しながら説明する。

第３図は２重回折法の原理説明図である。

入射レーザビーム101をフォトマスク102に入射させ、フ
ォトマスク102上に形成した格子103（ピッチ間隔ｄ）で
回折し、この回折した光をもう一度、ウエハ104上に形
成した格子105によって回折し、二重に回折された回折
光106、107、108、…を得る。この回折光は、フォトマ
スク102での回折次数とウエハ104での回折次数の２値表
示で表わすと、回折光106（０、１）、回折光107は
（１、０）、回折光108は（−１、２）、…で表わすこ
とができる。この回折光をレンズ（図示せず）により重
ね合わせ、干渉光の強度をディテクタ（図示せず）で観
測する。回折光はこのほか、入射レーザ光101に対して
対称な方向にも生じ、フォトマスク102とウエハ104の位
置合わせは左右対称に配置された２つのディテクタの光
強度の差分を０とすることにより行われる。この方法で
の位置合わせ精度は、数100Åとされている。

第４図は、応用物理学関連講演会予稿集の光へテロダイ
ン法による位置合わせの原理説明図である。

２波長直線偏光レーザ光源201から発したレーザ光202
は、偏光ビームスプリッタ203によりそれぞれ水平成
分、あるいは垂直成分のみを有する直線偏光で、しか
も、周波数がわずかに異なる２波長の光に分解する。一
方の光はミラー204、205を介し、他方の光はミラー206
を介してそれぞれ所望の入射角でＸ線マスク207上に形
成された回折格子208およびウエハ209上に形成された回
折格子210上に第４図のＡ部のように投射して干渉させ
る。回折格子208、210での再回折光をミラー211で光検
出器212、213に導き、干渉によって得られた光検出器21
2、213によるＸ線マスク207とウエハ209のビート信号か
らＸ線マスク207とウエハ209間の位置ずれ量をビート信
号の位相差として位相計214で検出する。また、Ｘ線マ
スク207とウエハ209間のギャップを制御するために、前
述のミラー204と205の中間にビームスプリッタ215を設
けて光を一部取り出し、この光をミラー216、217により
上記Ａ部上に投射してミラー206からの回折光と干渉さ
せる。この光をミラー218により光検出器219、220に導
き、上記光検出器212、213のビート信号とから計算によ
ってＸ線マスク207とウエハ209とのギャップを得る。以
上からＸ線マスク207とウエハ209のギャップ（間隔）の
制御と位置合わせを行うことができる。

発明が解決しようとする課題しかし、上記従来例のうち、前者（２重回折法）の構成
では、フォトマスク102とウエハ105の間隔Ｄは、ｄ×d/
λの整数倍（ただし、ｄは格子ピッチ、λは波長）に設
定されるが、この間隔Ｄの設定精度、保持精度がディテ
クタ上での光強度に大きく影響する。すなわち、位置合
わせの信号のギャップ依存法が高く、位置合わせが困難
である。また、ディテクタ上で観測される回折光（1
0）、（０、１）、（−２、１）以外に他の回折光も含
まれ、位置合わせ信号のS/Nの悪化が生じ、実用が困難
であった。

一方、後者（ヘテロダイン法の応用）の構成では、２枚
のミラー205、206を用い、格子ピッチにより決まる特定
の２方向から周波数のわずかに異なる２波長の光を分離
して入射させているため、各光軸の調整を十分に行え
ば、前者に比べ、はるかに高い精度を得ることができ
る。その結果、S/Nが良好であるが、分離された異なる
２波長の光束が異なる異なる光路を通るため、Ｘ線マス
ク207とウエハ209の合わせ誤差によって生ずる位相差
に、光路中の変動要因（例えば、空気のゆらぎなど）に
よって生ずる位相差が重畳し、合わせ情報の劣化が生じ
る。また、この従来例においても上記のような光検出器
212、213上に観測される回折光以外の他の回折光が含ま
れ（特に、上記209側の反射率が高いときにＸ線マスク2
07からの信号に見られる）、Ｘ線マスク207とウエハ209
の間でレーザ光が繰り返し反射をする現象であるところ
の多重反射を生じ、前者と比べれば１けた以上少ない
が、精度を悪化させる要因になり、また、出力信号電圧
の変動がギャップと波長の関数によって生じる。つま
り、光軸調整をした後にＸ線マスク207の反射回折効率
７％、透過回折効率25％、ウエハ209の反射率90％、レ
ーザ光202の偏光方向の楕円度29:1、レーザ管201の理想
平面からの回転１度、偏光ビームスプリッタ203の回転
１度等とすると、第５図の下側に示すように、信号強度
はλ/2（λ：レーザ波長）ごとに０から100％変化す
る。このとき、第５図の上側に示す位相差は、信号強度
０付近で約３度ほど変化してしまうという問題がある。
また、ギャップを精密に制御するようにギャップの測定
用にビームスプリッタ215から光検出器219、220に至る
測定系が追加されているので、非常に光路が複雑にな
り、実用的でない。更に、多重反射が生じた場合には、
ギャップによって検出信号レベルが低くなる場合がある
ため、この信号で制御を常に行うことは難しいし、精度
低下の原因になるなどの問題を有していた。

本発明は、上記従来の問題を解決するものであり、わず
かに周波数が異なり、かつ偏光方向が互いに異なる２波
長の光を大きく分離することなく、ほぼ同一の光路を経
て回折格子に照射し、光ビート信号を取り出すことを可
能とし、マスク、ウエハ間のギャップ変動、光路中の変
動による位置決め精度の低下を防ぎ、かつ基準格子と照
明光学系を用い、不要な回折光を分離を図り、安定した
光ビート信号を得ることにより、高精度に位置合わせす
ることができるようにした位置合わせ装置を提供するこ
とを目的とするものである。

課題を解決するための手段本発明は、上記目的を達成するために、互いにわずかに
周波数が異なり、かつ偏光方向が異なる２波長の光を出
射するコヒーレント光源と、このコヒーレント光源から
出射した光を回折する第１の回折格子が形成された基準
格子と、この基準格子からの回折光を選択的に透過させ
る照明光学系と、上記基準格子からの回折光の光路中に
設けられた少なくとも１つの1/2波長板と、フォトマス
クとウエハの相対位置と間隔を制御するための駆動機構
と、上記フォトマスクおよびウエハにそれぞれ設けら
れ、上記照明光学系により照明される第２および第３の
回折格子と、これら第２および第３の回折格子からの回
折光をそれぞれ取り出し、光ビート信号を検出する第１
および第２の検出手段と、上記フォトマスクとウエハの
相対位置を制御するため、上記第１および第２の検出手
段から得られる光ビート信号の位相比較を行う位相比較
手段と、上記フォトマスクとウエハの間隔を制御するた
め、上記第１および第２の検出手段から得られる光ビー
ト信号の強度を検出する信号強度測定手段とを備えたも
のである。

作用したがって、本発明によれば、わずかに周波数が異な
り、かつ偏光方向が異なる２波長の光を基準格子の第１
の回折格子に照射し、第１の回折格子からの０次、±１
次回折光は、照明光学系の通過時に０次光がカットさ
れ、他の１つの回折光が光路中で1/2波長板で偏光方向
を変換し、照明光学系のNA（Numerical Aperture）で規
定される角度でフォトマスク上の第２の回折格子および
ウエハ上の第３の回折格子に照射される。第２の回折格
子からの特定の回折光から得られる光ビート信号と第３
の回折格子からの特定の回折光から得られる光ビート信
号の位相差が第２の回折格子と第３の回折格子の相対位
置ずれ量に対応するので、この光ビーム信号から検出さ
れた位相差をもとに、駆動機構によりフォトマスクおよ
びウエハを移動させて相対位置を合わせることができ
る。このようにわずかに周波数が異なり、かつ偏光方向
が互いに異なる２波長の光を分離することなく、ほぼ同
一の光路を経て回折格子に照射し、光ビート信号を取り
出してマスクとウエハを位置合わせすることができる。
このとき、信号強度測定手段により光ビート信号の強度
をモニターし、最大強度になるように駆動機構によりフ
ォトマスクとウエハの少なくとも一方を移動させてその
間隔を制御することにより、高い信号強度を得ることが
でき、S/Nを高めることができると共に、多重反射の影
響をなくすことができる。

実施例以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

第１図および第２図は本発明の一実施例における位置合
わせ装置を示し、第１図は全体の概略構成図、第２図は
要部の拡大図である。

第１図および第２図において、11はわずかに周波数が異
なり、偏光方向が互いに直交する２波長のレーザ光12を
発するゼーマンレーザ、13はレーザ光12の光路を折り返
すためのミラー、14はピッチＰの等間隔直線格子からな
る第１の透過型の回折格子15を有する基準格子、16、
７、18はそれぞれレーザ光12が基準格子14の第１の回折
格子15で回折された＋１次回折光、−１次回折光、０次
回折光、19は−１次回折光17の偏光方向を90度変換する
1/2波長板、20は−１次回折光17が1/2波長板19を透過し
て偏光方向が90°変換された−１次回折光、21は倍率が
１で開口数NAがλ/P（λ：レーザ波長）である両側テレ
セントリックに構成された照明光学系であり、２つのフ
ーリエ変換レンズ22、23と、これらフーリエ変換レンズ
22、23の間でスペクトル面24に設けられ、０次回折光18
をカットする空間フィルタ25とから構成されている。26
はマスク27上に形成されたピッチＰの等間隔直線格子か
らなる第２の反射型の回折格子、28はウエハ29上に形成
されたピッチＰの等間隔直線格子からなる第３の反射型
の回折格子である。マスク27とウエハ29は20μｍ程度の
近接された均一のギャップ（間隔）で平行に保たれてい
る。30はマスク27を搭載したＸ、Ｙ、θ、α、β、Ｚの
６軸の移動可能なマスクステージ、31はウエハ29を搭載
したＸ、Ｙ、θ、α、β、Ｚの６軸の移動可能なウエハ
ステージであり、これらマスクステージ30とウエハステ
ージ31の駆動によりマスク27とウエハ29の相対位置とギ
ャップ（間隔）が制御される。32と33は各々マスク27の
第２の回折格子26とウエハ29の第３の回折格子28で回折
された±１次回折光であり、基準格子14の第１の回折格
子15とマスク27、ウエハ28の第２、第３の回折格子26、
28の回折次数で２値表示すると、（＋１、−１）、（−
１、＋１）となる。34は回折光32と33の光路を変える反
射ミラー、35は回折光32、33を集光する集光レンズ、36
は直交２偏光のレーザ光を干渉させるために必要な偏光
方向32a、若しくは32bと33a、若しくは33bを選択する偏
光子、37は集光レンズ35の結像面に設置され、偏光子36
で選択された回折光32a（若しくは33a）と33a（若しく
は33b）を分離するナイフエッジミラー、38はナイフエ
ッジミラー37で分離された第２の回折格子26からの回折
光32a（若しくは32b）を受光する第１の光検出器、39は
ナイフエッジミラー37で分離された第３の回折格子28か
らの回折光33a（若しくは33b）の光路を変える反射ミラ
ー、40は反射ミラー39で反射された回折光33a（若しく
は33b）を受光する第２の光検出器である。

50は光検出器38、40からの光ビート信号の位相を検出す
る位相計、51は光検出器38、40からの光ビート信号の光
強度を検出する信号強度検出器、52は位相計50からの出
力に応じてマスクステージ30をＸ、Ｙ、θ軸で移動させ
る駆動回路、53は位相計50からの出力に応じてウエハス
テージ31をＸ、Ｙ、θ軸で移動させる駆動回路、54は信
号強度検出器51からの出力に応じてマスクステージ30を
α、β、Ｚ軸で移動させる駆動回路、55は信号強度検出
器51からの出力に応じてウエハステージ31をα、β、Ｚ
で移動させる駆動回路である。

以上の構成において、以下、マスク27とウエハ29の位置
合わせ動作について説明する。

ゼーマンレーザ11から互いにわずかに周波数が異なり、
かつ偏光面が異なる２波長のレーザ光12を出射させ、反
射ミラー13により光路を曲げ、基準格子14の第１の回折
格子15へ入射させて回折する。第１の回折格子15で回折
した＋１次回折光16、−１次回折光17、０次回折光18の
うち、−１次回折光17は1/2波長板19により偏光方向を9
0度変更する。０次回折光18は照明光学系21の空間フィ
ルタ25によりカットし、＋１次回折光16と偏光方向が90
度偏光された−１次回折光20は照明光学系21によりマス
ク21上の第２の回折格子26とウエハ29上の第３の回折格
子28に集光させ、再回折する。第２の回折格子26と第３
の回折格子28からの回折光のうち、同一方向に進む回折
光32、33を反射ミラー34を介して集光レンズ35で集光
し、その途中で偏光子36により必要な偏光方向の回折光
32a、若しくは32bと33a、若しくは33bを選択する。そし
て、ナイフエッジミラー37により第２と第３の回折格子
26と28からの同位相の回折光32a（若しくは32b）と33a
（若しくは33b）とに分離し、回折光32a（若しくは32
b）を第１の光検出器38に導き、回折光33a（若しくは33
b）を反射ミラー39を介して第２の光検出器40に導く。
このようにしてマスク27とウエハ29上に形成された第２
と第３の回折格子26と28からのそれぞれの回折光32a
（若しくは32b）と33a（若しくは33b）を第１と第２の
光検出器38と40で検出すると、ゼーマンレーザ11のわず
かに異なる周波数のビート信号と基準格子14の第１の回
折格子15と第２、第３の回折格子26、28の位置の違いを
位相情報として有する信号が得られる。この信号をもと
に位相計50で位相差を検出すると、次の関係式が成り立
つ。

Δφ＝４πΔX/P （φ：位相差、ΔX:第２、第３の回折格子26、28の位置
ずれ量、P:回折格子のピッチ）したがって、この位相差Δφを０にするように駆動回路
52、または53によりマスクステージ30、またはウエハス
テージ31を移動させることにより、相対位置を合わせ
る。例えば、ピッチＰを４μｍとすれば、約5nmの位置
ずれを１度の位相差として検出することができる。位相
計50によって１度の検出は比較的容易であるので、信号
のS/Nさえ良ければ高い検出精度を得ることができる。
そこで、信号強度検出器51からの信号をモニターし、駆
動回路54、または55を制御してマスクステージ30、ある
いはウエハステージ31のギャップ（間隔）方向を信号強
度が最大になるように設定する。つまり、ギャップを0.
1μｍ以下の分解能で制御することにより、信号強度検
出器51は出力０から100％までλ/2のギャップ変化の周
期で繰り返し変動する。このとき、位相計50の出力は第
５図の上側で示した位相差のように信号強度０付近で誤
差を生ずる。したがって、信号強度検出器51の強度が最
大値付近になるように上記ギャップ方向を制御すること
により、信号強度が高いので、S/N点でも有利になると
共に、光学素子などがある程度の誤差を有し、ウエハ29
の反射率が高い場合にも、Ｘ線マスク27とウエハ29を十
分な精度で位置合わせすることが可能となる。

なお、上記実施例では、１軸の光学系について説明した
が、Ｘ線マスク27とウエハ29上に３個の回折格子をそれ
ぞれ設ければ、それぞれの位相差に対してＸ、Ｙ、θ、
を信号強度に対してα、β、Ｚをマスクステージ30、ま
たはウエハステージ31で制御すればマスク27とウエハ29
を３次元的に位置合わせすることができる。また、マス
クステージ30とウエハステージ31はそれぞれ６軸で制御
するようになつているが、両方合わせて６軸で制御する
ようにしても上記実施例と同様の制御を行って位置合わ
せすることができる。また、1/2波長板19は照明光学系2
1の途中に配置してもよい。このほか、本発明は、その
基本的技術思想を逸脱しない範囲で種々設計変更するこ
とができる。

発明の効果以上説明したように本発明によれば、互いにわずかに周
波数が異なり、かつ偏光方向が異なる２波長の光を基準
格子の第１の回折格子に照射し、第１の回折格子からの
０次、±１次回折光は、照明光学系の通過次に０次光を
カットされ、他の１つの回折光が光路中で1/2波長板で
偏光方向を変換し、照明光学系のNA（Numerical Apertu
re）で規定される角度でフォトマスク上の第２の回折格
子およびウエハ上の第３の回折格子に照射され、第２の
回折格子からの特定の回折光から得られる光ビート信号
と第３の回折格子からの特定の回折光から得られる光ビ
ート信号の位相差が第２の回折格子と第３の回折格子の
相対位置ずれ量に対応するので、この光ビート信号から
検出された位相差をもとに、駆動機構によりフォトマス
クおよびウエハを移動させて相対位置を合わせることが
できる。このようにわずかに周波数が異なり、かつ偏光
方向が互いに異なる２波長の光を大きく分離することな
く、ほぼ同一の光路を経て回折格子に照射し、光ビート
信号を取り出すので、マスクとウエハを高精度の位置合
わせすることができる。このとき、信号強度測定手段に
より光ビート信号の強度をモニターし、最大強度になる
ように駆動機構によりフォトマスクとウエハの少なくと
も一方を移動させてその間隔を制御することにより、高
い信号強度を得ることができ、S/Nを高めることができ
ると共に、多重反射の影響をなくすことができる。した
がって、マスクとウエハを更に一層高精度に位置合わせ
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例における位置合
わせ装置を示し、第１図は全体の概略構成図、第２図は
要部の拡大図、第３図は２重格子法を用いた従来の位置
合わせ装置の原理説明図、第４図はヘテロダイン法を応
用した従来の位置合わせ装置の概略構成図、第５図はＸ
線マスクからの信号出力の説明図である。 11……ゼーマンレーザ、14……基準格子、15……第１の
回折格子、19……1/2波長板、21……両側テレセントリ
ック照明光学系、26……第２の回折格子、27……マス
ク、28……第３の回折格子、29……ウエハ、30……マス
クステージ、31……ウエハステージ、36……偏光子、37
……ナイフエッジミラー、38……第１の光検出器、40…
…第２の光検出器、50……位相計、51……信号強度検出
器、52、53、54、55……駆動回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いにわずかに周波数が異なり、かつ偏光
方向が異なる２波長の光を出射するコヒーレント光源
と、このコヒーレント光源から出射した光を回折する第
１の回折格子が形成された基準格子と、この基準格子か
らの回折光を選択的に透過させる照明光学系と、上記基
準格子からの回折光の光路中に設けられた少なくとも１
つの1/2波長板と、フォトマスクとウエハの相対位置と
間隔を制御するための駆動機構と、上記フォトマスクお
よびウエハにそれぞれ設けられ、上記照明光学系により
照明される第２および第３の回折格子と、これら第２お
よび第３の回折格子からの回折光をそれぞれ取り出し、
光ビート信号を検出する第１および第２の検出手段と、
上記フォトマスクとウエハの相対位置を制御するため、
上記第１および第２の検出手段から得られる光ビート信
号の位相比較を行う位相比較手段と、上記フォトマスク
とウエハの間隔を制御するため、上記第１および第２の
検出手段から得られる光ビート信号の強度を検出する信
号強度測定手段とを備えた位置合わせ装置。