JPH07104130B2

JPH07104130B2 - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH07104130B2
Application number: JP61183857A
Authority: JP
Inventors: 伸貴馬込; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-08-04
Filing date: 1986-08-04
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPS6338103A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は半導体素子製造用の露光装置等のようにマスク
と感光基板（ウエハ）とを位置合わせ（アライメント）
するための装置に関し、特に光ビームを走査してマスク
上のマークと基板上のマークとを検出する方式の装置に
関する。

（従来の技術）この種の露光装置として近年製造現場では縮小投影型露
光装置、いわゆるステツパーが多用されている。このス
テツパーはレチクル（マスクと同義）に形成されたパタ
ーンを、半導体ウエハのフオトレジスト層に投影レンズ
を介して露光するものである。通常ウエハ上には先の工
程でパターンが形成されており、これに対して新たなレ
チクルのパターン像を正確に位置合わせして重ね焼きす
ることによつて回路パターンを作り込んでいる。この場
合、ウエハ上に形成されたマークとレチクル上のマーク
とを検出してレチクルとウエハとを位置合わせする作
業、いわゆるアライメントが必須になる。従来より、光
学的にアライメントを行なう方法として、レチクルとウ
エハの各マークをレーザー光束のスポツトで走査し、両
マークからの散乱光を同時に光電検出するオートアライ
メントが知られている。この場合光電検出された光電信
号の波形上にはレチクル上のマークに応じたピーク（又
はボトム）とウエハ上のマークに応じたピーク（又はボ
トム）とがともに存在する。

（発明が解決しようとする問題点）一般に、レチクル上に形成されたマークは、クロム（C
r）等のパターンであるため、クロム層の厚さには多少
のばらつきがあるものの、光学的な特性はどのレチクル
でもほぼ一定と言える。これに対してウエハ上に形成さ
れたマークはウエハ表面の化学処理やレジストの種類や
塗布状態によつて光学的な特性の変化が著しい。このた
め従来のようにレチクルのマークとウエハのマークとか
らの両散乱光を１つの光電検出器で受光してしまうと、
場合によつては光電信号の波形上のピーク（又はボト
ム）の大きさがレチクル側とウエハ側とで極端に異なつ
てくることがある。このように極端に大きさの異なる波
形に基づいて信号処理によつてマーク位置検出を行なつ
ても、良好なアライメント精度は得られず、場合によつ
ては処理不能に陥ることもあつた。

（問題点を解決する為の手段）本発明においてはレチクル（マスク）に形成するマーク
とウエハ（基板）に形成するマークとのうち一方を、所
定方向に回折光を発生する回折格子状のパターンとし、
他方を、所定方向に交差する方向に散乱光を発する直線
的なエツジを有するパターンとし、これら２つのマーク
を光ビームで走査したときに生じる回折光と散乱光とを
対物光学系でともに受光する。そして対物光学系の瞳と
ほぼ共役な位置で回折光と散乱光とを個別に検出する光
電検出器を設け、２つのマークの夫々からの光情報に対
応した２つの光電信号に基づいて２つのマークの位置関
係（合わせずれ等）を検出する信号処理手段とを設け
る。

（作用）マスクのマークに対応した光電信号と、基板（ウエハ）
に対応した光電信号と別個に取り出すことによつて、光
電信号の波形に応じて適切なゲインを選択することがで
きる。例えばウエハのマークに対応した光電信号の波形
が小さければ、その光電信号を適当に増幅して、レチク
ルのマークに対応した光電信号の波形と大きさを揃える
ことができる。また回折格子のパターンの方向とエツジ
パターンの方向を適宜定めることによつて、対物光学系
の瞳面においては回折光と散乱光とをほぼ明確に分離す
ることができる。

（実施例）第１図は本発明の実施例による位置合わせ装置を投影型
露光装置に適用した場合の構成を示す図である。第１図
において、回路パターンとともにアライメントマークRM
を有するレチクルＲは投影レンズ１の上方に配置され
る。投影レンズ１は本実施例では両テレセントリック系
であるものとする。投影レンズ１の下方にはレジストの
塗布されたウエハＷがステージ２に載置して配置され
る。ウエハＷにはアライメントマークRMと重なり合う位
置にアライメントマークWMが形成されている。ステージ
２はモーター３、ドライバー４によつて２次元移動し、
特に露光の際はｘ方向とｙ方向とにステツピング移動す
る。またステージ２上のウエハＷとは異なる位置には、
マークWMと同形の基準マークFMが固定されている。

さて、マークRMとWMとの検出は、レーザー光源６からの
レーザー光LBをレチクルＲと投影レンズ１を介したウエ
ハＷとに照射することによつて行なわれる。レーザー光
源６からのレーザー光は、まずシリンドリカルレンズ等
を含むビーム成形光学系８によって断面が細長くなるよ
うに形成された後、スキヤナーミラー（振動鏡）10によ
つて偏向及び走査され、リレーレンズ系12、ビームスプ
リツタ（ハーフミラー）14を介してアライメント用の対
物光学系16に入射する。これによつて、レチクルＲ上に
は単振動するシート状のレーザスポツト光が結像する。
このスポット光はマークRMの透明部を介して投影レンズ
１に入射し、投影レンズ１により再度ウエハＷ上に結像
する。尚、対物光学系16の瞳は投影レンズ１の瞳epと共
役に定められ、かつレチクルＲ側でテレセントリツクで
あるものとする。

ところで、レチクルＲのマークRMは第２図に示すような
平面形状であり、遮光部（クロム層）の内側に透明な矩
形窓Rwが形成されている。この窓Rwは本実施例ではｘ方
向とｙ方向との夫々に平行な４辺を有する正方形であ
る。レーザー光LBによるスポツト光SPは、ｙ方向に伸び
たシート状であり、振動方向はｘ方向（スポツト光SPの
長手方向と直交する方向）に定められている。またスポ
ット光SPの往復走査の範囲は窓Rwのｘ方向の幅、すなわ
ちｙ方向に伸びたエツジE₁とE₂の間隔よりも大きくなる
ように定められている。そしてこのエツジE₁とE₂がアラ
イメントのために使われる。

一方、ウエハＷのマークWMは第３図に示すような平面形
状であり、ウエハＷの表面に凸部、又は凹部として微小
な正方形の格子素子を、ｘ方向とｙ方向とに一定ピツチ
で配列して形成した十字状の回折格子である。マークRM
の窓Rwを透過してウエハＷ上に結像したスポツト光SPは
マークWMをｘ方向に往復走査する。そしてマークWMのう
ちｙ方向に伸びた回折格子がアライメントのために使わ
れる。スポツト光SPがレチクルＲのマークRMを走査する
と、エツジE₁とE₂の夫々で散乱光が生じる。この散乱光
はスポツト光SPがｙ方向に伸びていることから、第２図
中においてｘ−Ｚ平面（紙面と垂直でｙ軸と垂直な面）
に沿つて傾斜した方向に強く発生する。またスポツト光
SPがウエハＷのマークWMを走査すると、ｙ方向に伸びた
回折格子にスポツト光SPが重なつたとき、レーザー光の
波長や格子定数に応じて特有の回折光が生じる。この回
折光はｙ−Ｚ平面（紙面と垂直でｘ軸と垂直な面）に沿
つて傾斜した方向に発生する。

レーザー光LBの波長を、露光用の照明光の波長とほぼ等
しくする場合は、第１図のままでよいが、波長が異なる
ときはレチクルＲと撮影レンズ１との間に色収差補正用
のレンズを入れる必要がある。また露光波長とレーザー
光LBの波長が等しい場合は、ウエハＷ上でのスポツト光
SPの走査によりレジストが感光することになる。そのた
め第２図に示したマークRWの窓Rwの周辺の遮光部の大き
さは、スポツト光SPの走査範囲の大きさ、レチクルＲの
装置に対する位置決め精度、あるいはレチクルＲをアラ
イメントのために微動させる際の微動範囲の大きさ等を
考慮して決定される。そしていかなる場合もマークRMの
遮光部の外側にスポツト光SPがはみ出さないように定め
られている。

さて、第１図の説明に戻り、マークWMからの光情報（正
反射光、回折光、散乱光等）は撮影レンズ１、レチクル
Ｒを介して、マークRMからの光情報（正反射光、散乱光
等）とともに対物光学系16に入射し、ビームスプリツタ
14で反射されてリレー系18に入射する。リレー系18から
の光情報はハーフミラー20によって２つに分割され、ハ
ーフミラー20を透過した光情報は空間フイルター22を介
して集光レンズ24により光電素子26の受光面に集光され
る。またハーフミラー20で反射した光情報は空間フイル
ター28を介して集光レンズ30により光電素子32の受光面
に集光される。空間フイルター22と28はともに投影レン
ズ１の瞳ep、又は対物光学系16の瞳と共役であり、レチ
クルＲ、ウエハＷからの光情報のうち正反射光はカツト
する。

ところでスキヤナーミラー10の振動中心を瞳epと共役に
しておくと、レーザー光LBの主光線はレチクルＲとウエ
ハＷとに対して垂直になり、空間フイルター22、28（又
は瞳、フーリエ面）の位置において反射光（正反射光、
散乱光、回折光）は静止状態になる。さて光電素子26は
レチクルＲのマークRMからのエツジ散乱光の強さに応じ
た光電信号をアンプ40に出力し、アンプ40は一定の増幅
率で光電信号を増幅する。光電素子32はウエハＷのマー
クWMからの回折光の強さに応じた光電信号をアンプ42に
出力し、アンプ42は一定の増幅率で光電信号を増幅す
る。自動利得制御回路（以下AGC回路とする）44はアン
プ40からの光電信号IRを入力して、その波形上のピーク
とボトムとが所定のレンジに納まるようにゲインコント
ロールする。AGC回路46はアンプ42からの光電信号IWを
入力して、同様にゲインコントロールする。AGC回路4
4、46は発振回路（以下OSCとする）48からの発振信号FS
を入力し、この発振信号FSに応答してゲインコントロー
ルを行なう。OSC48は駆動系50を介してスキヤナーミラ
ー10を振動させるものである。AGC回路44、46からの信
号IR′、IW′は加算回路52でアナログ加算された後、信
号処理系54に入力する。信号処理系54は信号IR′、IW′
の加算波形に基づいてマークRMとWMとの走査方向のずれ
を検出する。信号処理系54の波形検出は、スキヤナーミ
ラー10の偏向角に基づいてスポツト光SPの走査位置を検
出するパルスジエネレータ（以下PGとする）56からのパ
ルス信号SSの入力に基づいて行なわれる。信号処理系54
で検出されたずれ量はドライバー４に送られ、ドライバ
ー４はそのずれ量に応じてモーター３を駆動し、ウエハ
ＷとレチクルＲとの精密な位置合わせを行なう。

第４図、第５図はそれぞれ空間フイルター28、22の平面
的な形状を示す。空間フイルター28（第４図参照）はマ
ークWMからの回折光を抽出（透過）するものであり、正
反射光NLを遮光する遮光部28cは図中ｘ方向に伸びてい
る。そして遮光部28cをはさんで半円状の透過部28a、28
bが設けられ、この透過部28aを通して回折光のうち＋１
次、＋２次、＋３次等の正の高次光＋Ｄが抽出され、透
過部28bを通して−１次、−２次、−３次等の負の高次
光−Ｄが抽出される。一方空間フイルター22（第５図参
照）はマークRMのエツジE₁、E₂からの散乱光を抽出する
ものであり、正反射光NLを遮光する遮光部22cは図中ｙ
方向に伸びている。そして遮光部22cをはさんで円弧状
の透過部22a、22bが設けられ、これら透過部22a、22bを
通して、正反射光NLのｘ方向の両脇に戻つてくる散乱光
Ｓが抽出される。第４図において空間フイルター28には
マークRMからの散乱光Ｓも達するが、これは遮光部28c
により丁度カツトされる。また第５図において空間フイ
ルター22にはマークWMからの回折光＋Ｄ、−Ｄも達する
が、これは遮光部22cにより丁度カツトされる。

第６図はAGC回路44、46の構成を示すブロツク図であ
り、ここではAGC回路46のみの構成を示す。

光電信号IWは外部コントロール信号CSに応じて増幅率の
変化する可変利得アンプ46aに入力する。光電信号IW
は、発振信号FSに応答してピーク・ツウ・ピークの大き
さに関してサンプル・アンド・ホールドを行なうＰ−PS
/H回路46bに入力する。ピークホールドされた信号は演
算回路46cに入力し、ここで所定のコントロール信号CS
が算出される。演算回路46cは信号IWの振幅と予め定め
られた最適な振幅との比較に基づいてコントロール信号
CSを作り出すものである。AGC回路44についても同様の
構成である。本実施例ではＰ−PS/H回路46bはスポツト
光SPが往復走査の往路又は復路の一方の期間においてサ
ンプルモードになり、他方の期間においてホールドモー
ドになるように信号FSに基づいて切替えられる。

第７図は信号処理系54の主要部の回路ブロツク図であ
り、加算回路52からの加算信号Ｉはアナログ−デジタル
変換器（ADC）54aにより、パルス信号SSのパルスに応答
してデジタル値に変換される。そのデジタル値はメモリ
54bに記憶される。カウンタ54cはパルス信号SSのパルス
数を計数して、その値をメモリ54bのアドレス値として
出力する。カウンタ54cの計数はスポツト光SPの一方向
への走査中のみで、かつＰ−PS/H回路46bがホールドモ
ードのときに行なわれる。従ってメモリ54b内には加算
信号Ｉの波形データが記憶され、この波形データに基づ
いて演算回路54dはマークRMのエツジE₁とE₂、及びマー
クWMの位置関係を検出し、そのずれ量に応じた情報をド
ライバー４に出力する。

次に第７図を参照してアライメント動作を説明する。第
７図（ａ）はマークRMの窓RwとマークWMとの配置の一例
を示し、第７図（ｂ）は光電信号IR′の波形を示し、第
７図（ｃ）は光電信号IW′の波形を示す。スポツト光SP
が窓RwのエツジE₁、E₂を横切るように走査している際、
スポツト光SPが図中右から左に走査する期間においてＰ
−PS/H回路46bはサンプルモードになり、逆に左から右
に走査する期間においてはホールドモードになる。そし
てホールドモードの際に、メモリ54bには信号IR′とI
W′との加算された波形が記憶される。演算回路54dは第
７図（ｂ）、（ｃ）に示すように、エツジE₁に対応した
パルス波形P₁のメモリアドレス上の位置をX₁、エツジE₂
に対応したパルス波形P₂のアドレス上の位置をX₂、そし
てマークWMに対応したパルス波形P₃のアドレス上の位置
をX₃として算出する。そして位置X₁とX₂の中点に対する
位置X₃のずれ量ΔＸを算出する。第７図（ｂ）におい
て、信号IR′にはマークWMのエツジE₁、E₂と平行なエツ
ジ部分からの散乱光によって小さなピーク波形が含まれ
ている。このようにレチクル側のマークの波形とウエハ
側のマークの波形とは極端に大きさが異なることもあ
り、第７図（ｂ）のような波形からウエハのマークWMの
位置を検出することは困難となる。もちろん本実施例の
場合、マークWMが回折格子であることから、空間フイル
ター22に達する散乱光はもともと少ない。そこでマーク
WMを単純な線状のパターンにすれば、エツジ散乱は大き
くなるが、空間フイルター上でマークRMからの散乱光と
分離して検出することは不可能となる。

以上本実施例のアライメント動作を説明したが、ステー
ジ２にはマークWMと同等の回折格子状の基準マークFMが
設けられているので、装置のセルフチエツク（自己計
測）が可能となる。例えばレチクルＲ上の線対称な位置
の夫々にマークRMの窓Rwを設けておき、ステージ２には
２次元的な位置計測を行なうレーザー干渉式測長器（干
渉計）を設けておく。２ケ所のマークRMの間隔はレチク
ル上で予め精密に計測されているものとする。基準マー
クFMを２ケ所のマークRMの夫々とアライメントしたとき
のステージ２の移動量を干渉計で計測すると、２ケ所の
マークRMの投影レンズ１による像の間隔が検出できる。
この間隔を知ることによって、投影レンズ１自体の倍率
誤差や倍率の変動等がただちに求まる。この場合、第１
図に示したアライメント光学系をもう一組用意する必要
がある。また２ケ所のマークRMを用いればレチクルＲと
ウエハＷ上の露光すべきシヨツト領域との相対的な回転
誤差も検出できる。

以上本実施例においてはｘ方向のアライメントについて
のみ説明したが、スポツト光SPを90゜回転させてｙ方向
に窓RwとマークWMとを走査すれば、同様にｙ方向のアラ
イメントができる。またマーウWMを単なる十字状の線状
パターンとして、窓RwのエツジE₁、E₂の位置に回折格子
を設けても同様にレチクルＲとウエハＷとを別個に検出
することができる。

さらに信号処理系54はレベル調整されたレチクル側の光
電信号とウエハ側の光電信号とを加算して処理したが、
その２つの光電信号を独立にメモリに記憶して、マーク
RMとWMとの位置を別々に算出した後、ずれ量を求めても
同様の効果が得られる。またアライメントの際、レチク
ルＲを微動させてもよい。また空間フイルター22、28の
透過部を受光面とするような光電素子にすると空間フイ
ルターを１枚にすることができる。すなわち第４図、第
５図からも明らかなように、回折光＋Ｄ、−Ｄ、散乱光
Ｓの瞳上での分布はほぼ完全に分離している。そこで１
枚の空間フイルター上で回折光＋Ｄ、−Ｄの通る位置
と、散乱光Ｓの通る位置との夫々に透過部を形成し、各
透過部に別々の受光面がくるように４つの光電素子を配
置すればよい。

さらに基準マークFMとマークRMとを用いると、投影レン
ズ１のテレセン性（主光軸の光軸に対する傾き）をチエ
ツクすることもできる。この場合、レチクルＲのマーク
RMの窓Rw内に基準マークFMを位置させ、ステージ２（実
際にはウエハＷと基準マークFMとを保持するＺステー
ジ）を一定ピツチ（例えば0.5μｍ）だけ上下動させて
は、マークRMと基準マークFMとの位置ずれ量を検出する
ことを繰り返す。この上下動によってマークRMに対する
基準マークFMの位置がずれなければテレセン性はくずれ
ていないことになる。もちろん上下動の量と基準マーク
FMの横ずれ量とに基づいてテレセン性の傾きも定量的に
求まる。

また第６図に示したAGC回路においては、往復走査のど
ちらか一方でサンプルモードになり、他方でホールドモ
ードになると説明したが、往路と復路とでともにサンプ
リング（ピーク検出）を行なつてもよい。例えば往路で
サンプリングを行ない、復路で信号波形の読み込みを行
なう際、同時にサンプリングを行なつておく。何らかの
理由で復路での信号読み込みの際にAGCのレベルが狂つ
た時は、引き続き往路で再度信号の読み込みを行なう。
この場合、その前の復路でのサンプル値に基づいてAGC
のレベル（信号CS）を設定する。

（発明の効果）以上本発明によれば、マスクのマークからの光情報と基
板（ウエハ等）のマークからの光情報を独立に光電検出
できるため、双方の信号に対して独立にゲイン・オフセ
ツトの最適化を計ることができ、一方の信号のレベルが
大きすぎて、他方の信号のS/Nが悪くなつたり、レベル
の大きな方に波形が引きずられて誤差を生じるといつた
ことがなく、常に最良の状態で信号検出ができるといつ
た効果が得られる。このためアライメント精度が向上す
るといつた利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による位置合わせ装置を投影型
露光装置に適用した場合の構成を示す図、第２図はレチ
クル側のマークの形状を表す平面図、第３図はウエハ側
のマークの形状を表す平面図、第４図はウエハのマーク
検出用の空間フイルターの形状を示す平面図、第５図は
レチクルのマーク検出用の空間フイルターの形状を示す
平面図、第６図は自動利得制御回路の構成を示す回路ブ
ロツク図、第７図は信号処理系の構成を示す回路ブロツ
ク図、第８図はマーク検出動作により得られる信号波形
を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕Ｒ……レチクル、Ｗ……ウエハ、 RM、WM……マーク、６……レーザ光源、 10……スキヤナーミラー、 16……対物光学系、 22、28……空間フイルター、 26、32……光電素子、 44、46……AGC回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に形成された第１マークと、該マ
スクと位置合わせされるべき基板上に形成された第２マ
ークとを光ビームで走査し、前記第１マークと第２マー
クの夫々からの光情報に基づいて前記マスクと基板とを
位置合わせする装置において、前記第１マークと第２マークの一方が所定方向に回折光
を発生する回折格子状のパターンであり、他方が前記所
定方向と交差する方向に散乱光を発生するほぼ直線的な
エツジを有するパターンであり、前記光ビームが前記第
１マークと第２マークとを走査したときに発生する回折
光と散乱光をともに入射する対物光学系と；該対物光学
系の瞳とほぼ共役な位置において前記回折光と散乱光と
を個別に受光し、その大きさに応じた２つの光電信号を
出力する光電検出手段と；該２つの光電信号の夫々に基
づいて前記第１マークと第２マークとの位置関係を検出
する信号処理手段とを設けたことを特徴とする位置合わ
せ装置。