JPH0762604B2

JPH0762604B2 - アライメント装置

Info

Publication number: JPH0762604B2
Application number: JP61123008A
Authority: JP
Inventors: 建爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-05-28
Filing date: 1986-05-28
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPS62278402A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は半導体基板等のアライメントを行なう装置に関
し、特に露光装置に組み込んで好適なアライメント装置
に関する。

（従来の技術）近年、半導体素子（超LSI等）は増々高集積度化、微細
化が進み、これを製造するための露光装置においてもよ
り高精度なアライメント精度が要求されている。このア
ライメントとしてはマスクやレチクルと半導体ウェハと
の相対的な位置合わせ、マスクやレチクルの露光装置に
対する位置決め、ウェハの露光位置に対する位置決め等
が含まれているが、いずれの場合もある基準点に対する
物体の位置合わせという点においては同じ意味である。
投影型露光装置の場合、ウェハ上に予め形成されたアラ
イメント用のマークを光学的に検出し、そのマークの位
置を計測することによって、投影光学系によるマスクパ
ターン投影像との位置関係を検出する作業があるが、こ
の作業も広義にはアライメントと呼ばれている。このア
ライメントを自動化するためにはウェハ上のマークを光
学的に拡大して、その像を光電検出すればよい訳であ
る。しかしながら露光プロセスのウェハには、その表面
にフォトレジストが一定の膜厚で形成されているため、
マークの検出はレジストを介して行なわれることにな
る。レジストを介したマーク検出は、レジストの薄膜
（通常１〜５μｍ程度）としての光学特性の影響を強く
受け、像検出が不安定になることから必ずしも良好なア
ライメント精度が得られるとは限らなかった。そこで薄
膜の影響、例えばレジスト表面と地下表面との双方の反
射光による干渉を低減するために、アライメントマーク
への照明光の波長の複数の異なるスペクトルにする方法
が考えられる。

（発明が解決しようとする問題点）異なる複数のスペクトルの照明光を同時にウェハに照射
する場合、レジストの膜厚はウェハ上のどの点でも均一
であることは少なく、場所によっては干渉効果を低減さ
せることが難しい。特に段差の大きいマーク近傍では顕
著である。

また各スペクトルの照明光を別々に照射して、夫々の照
明状態でのマーク像を個別に光電検出することも考えら
れるが、マーク像の信号解析が複雑となるといった問題
がある。

（問題点を解決する為の手段）本発明は基板上のアライメントパターンを光学的に検出
して、基準位置に対する基板のアライメント状態を認識
する装置に関するものである。アライメントパターンの
像はパターン検出光学系（18,16,14,20,24,26,28）によ
って検出面（ITV等の受光面、スリット面、等）に形成
される。このパターン検出光学系は少なくとも基板（ウ
ェハＷ）側がテレセントリックな光学系であり、基板表
面（アライメントパターン）側には検出面と共役な焦点
面（FP）がある。そして基板表面と焦点面（FP）とを相
対的に光軸方向に変位させる焦点調整手段（2,4、又は2
0,22）が設けられ、基板表面と焦点面（FP）とを所定量
だけずらした第１状態（焦点深度外にデフォーカスさせ
た状態）において、検出面上のパターン像を光電検出す
る手段（ITV等のイメージセンサー30）と、その光電信
号に基づいてアライメント誤差（位置ずれ）を検出する
ずれ検出手段（処理回路40）が設けられる。

（作用）本発明では、微細はパターン構造を高倍率の光学系で観
察する際、合焦状態から非合焦状態（所定の焦点深度外
の状態）にした場合でも、非合焦量によってはパターン
像（完全にボケている）がコントラストよく解像される
現象、例えばOTF特性上で位相が反転している領域での
解像を利用して、パターン像の光電検出を行ない、アラ
イメントを行なうものである。このように非合焦域でパ
ターン像の解像が起る現象を、本発明では擬解像と呼ぶ
ことにする。この擬解像の状態ではアライメントパター
ンの微細な構造を検出することはできない。合焦状態で
の画像信号と擬解像での画像信号を比較すると、合焦状
態では高周波成分が多く、基板表面の光学的な特質の影
響を強く受けるのに対し、擬解像では、そのような高周
波成分はほとんど現われず、パターン形状をそのまま表
わすような単純な基本波的成分になる。

このため信号処理が非常に簡単になるとともに、パター
ンの全体的なプロフィールがよく再現されるため、アラ
イメント精度の向上が期待できる。

本発明では非合焦（デフォーカス）状態でアライメント
パターンの光電検出を行なうため、パターン検出光学系
の物体（基板）側はテレセントリック系である必要があ
る。テレセントリック系であれば合焦状態の像とデフォ
ーカス状態の像との間での倍率誤差がなく、パターン像
の中心ずれが生じないからである。

（実施例）以下本発明の実施例を第１図を参照して説明する。ホル
ダーRHに保持され、回路パターン等を有するレチクルＲ
は不図示の照明系からの露光光によって照射される。投
影レンズ１はレチクルＲのパターン、もしくはレチクル
上のアライメントマークRMの像を所定の焦点面FP内に形
成する。ウェハＷは焦点面FPと一致するようにＺステー
ジ２上に保持される。Ｚステージ２はXYステージ３上に
Ｚ方向（投影レンズ１の光軸方向）に微動可能に設けら
れ、駆動モータ４によって上下動する。ウェハＷ上には
アライメント用のマークWMが形成されているものとす
る。

本発明のアライメント装置は、本実施例ではウェハＷの
グローバル・アライメント用に設けられたオフ・アクシ
ス方式のアライメント系であり、ウェハＷ上のマークWM
を拡大観察するものである。ライトガイド（光ファイバ
ー）10からは、所定の波長幅を有する照明光が照出され
る。この照明光はレンズ系12を介してビームスプリッタ
14に入射し、ビームスプリッタ14を通過した後、ミラー
16で反射され対物レンズ18に入射する。照明光としては
水銀放電灯、ハロゲンランプ等からの光が利用でき、ア
ライメント検出に必要な波長域に対してブロードなスペ
クトル分布があるもの、又は複数の峻鋭なスペクトルが
あるもののいずれであってもよい。特に異なる複数のス
ペクトルを同時に発生するレーザー光源を用いると、光
量が大きくなるので光電検出時のS/N比が上がる。また
対物レンズ18は、少なくとも物体側（ウェハ側）がテレ
セントリック系であり、照明光の波長域に関して色消し
（収差補正）されており、その焦点位置は通常焦点面FP
と一致するように設定されている。尚、照明光はウェハ
Ｗ上のレジストに対して極めて感度の低い波長（非感光
波長）になるように選ばれている。対物レンズ18の焦点
面FPに位置する物体のパターンからの光は、ミラー16を
介して一度結像面FP′に結像され、ビームスプリッタ14
を介してレンズ系（リレー系）20、24に入射する。レン
ズ系20、24は結像面FP′に形成された空間像を指標マー
ク26aが形成された指標板（焦点板）26に再結像する。
レンズ系28は焦点面FP内の物体の像と指標マーク26aと
を同時にテレビカメラ（ITV）等のイメージセンサー30
の受光面（検出面）上に結像する。従ってイメージセン
サー30からの画像信号に基づいて、ウェハＷ上のマーク
WMと指標マーク26aとのアライメント状態を検出するこ
とができる。尚、上記レンズ系20、24、28も対物レンズ
18と同様に色消しされていることが望ましい。またレン
ズ系20は指標板26（又はイメージセンサー30の受光面）
に形成されたマークWMの結像状態を調整できるように光
軸方向に移動可能であり、その駆動はモータ22によって
制御される。

画像信号処理回路（以下単に処理回路とする）40はイメ
ージセンサー30からの画像信号を入力して、その信号波
形を解析してマークWMと指標マーク26aとの位置ずれを
検出し、その検出結果を主制御系42にアライメント誤差
として出力する。また処理回路40は画像信号の波形に基
づいて像のコントラストを検出し、そのコントラスト情
報に基づいて、自動、又は手動でモータ22を駆動する機
能も有する。第１図には示していないが、画像信号は表
示用のブラウン管モニターに印加され、モニター上でマ
ークWMと指標マーク26aとの位置合わせ状態や、像質
（コントラスト）が確認できるようになっている。主制
御系42はアライメント誤差に基づくXYステージ３の位置
決めの制御、あるいはＺステージ２の位置決めの制御を
行なうものである。特に処理回路40で検出されたコント
ラスト情報、又は別設されたエア・マイクロ方式や斜入
射方式のギャップセンサーからの情報に基づいて主制御
系42を介してモータ４をサーボ制御すれば、対物レンズ
18に対するウェハＷの自動焦点合わせ機能が実現でき
る。さらに主制御系42は対物レンズ18の焦点面FPとウェ
ハ面とを一致させるようにＺステージ２を制御するだけ
でなく、任意に所定距離だけ焦点面FPとウェハ面とをず
らすために制御も行なう。本発明ではこの制御を処理回
路40が画像信号を入力する際に行なっておくことを大き
な特徴としている。すなわちマークWMの像をデフォーカ
ス状態で光電検出し、その信号をアライメントのために
使うことを要点としている。これは従来のような、アラ
イメント時にフォーカスを正確に合わせるという考え方
に反するものである。本発明は、アライメントマーク等
の微細なパターン構造を高倍率の対物レンズで観察する
場合、レンズ系の収差やOTF特性によって所定のデフォ
ーカス位置でもコントラストの高い像（ボケてはいる）
が得られる現象、所謂擬解像を利用してアライメントマ
ークの検出を行なうものである。

尚、第１図において、ライトガイド10、レンズ12、ビー
ムスプリッタ14、ミラー16、及び対物レンズ18によって
照明光の送光光学系が構成され、対物レンズ18、ミラー
８、ビームスプリッタ14、及びレンズ系20、24、28によ
って本発明のパターン検出光学系が構成され、処理回路
40によって本発明のずれ検出手段が構成される。

また本実施例では、ライトガイド10の射出端が対物レン
ズ18の瞳と共役に定められ、その瞳面に光源像が形成さ
れるケーラー照明法を用いるものとする。

第２図は処理回路40の具体的な回路構成を示すブロック
図である。イメージセンサー30からの画像信号S₁はアナ
ログ−デジタル変換器（ADC）400に入力して、走査線上
の各画素毎のレベルをデジタル値に変換する。このデジ
タル値は画素毎に番地指定されるメモリ401と402のいず
れかに入力する。リード・ライト信号S₂はメモリ401、4
02の夫々を書き込みモードと読み出しモードとに択一的
に切替えるものである。

セレクタ404は選択信号S₃に応答してメモリ401に記憶さ
れた画像情報とメモリ402に記憶された画像情報とのい
ずれか一方を選択して演算処理ユニット405に送出す
る。演算処理ユニット405は画像情報に基づいて指標マ
ーク26とマークWMとの位置ずれ量を求め、それをアライ
メント情報ALMとして出力する。さらに処理ユニット405
は画像情報のコントラストを検出して、それに応じた情
報CZを出力する。このコントラスト情報CZはモータ22を
自動的に制御する場合は必要であるが、モニター画面上
の像質を目視によって確認しつつモータ22を制御する場
合は不要である。

第３図はイメージセンサー30の受光面（検出面）30aに
形成されるマークWMと指標マーク26aとのアライメント
状態の一例を示す図である。マークWMとマーク26aはと
もに平行な線状パターンであり、マーク26aはマークWM
を挟み込むように２本用意されている。走査線SLはマー
ク26a、マークWMの長手方向と直交する方向に定められ
る。基本的なアライメント検出は、２本マーク26aの夫
々の中心の間隔をX₁で２等分した中心線C₁をアライメン
トすべき基準点としたとき、マークWMの中心線C₂と中心
線C₁との走査方向のずれ量ΔＸをアライメント誤差（ア
ライメント情報ALM）とするよう行なわれる。またコン
トラスト検出は、本実施例の場合、ウェハＷ上のマーク
WMのみについて行なえばよく、例えばマークWMの走査線
SLと直交するエッジ位置に対応した波形上の立上り（又
は立下り）の程度、波形上のピークとボトムの差等の値
からコントラスト情報CZを作り出せばよい。尚、本実施
例の場合、指標板26は、照明光のウェハ表面からの反射
光によって透過照明されるため、指標マーク26aが遮光
性のパターンであると、モニター画面上でマーク26aは
暗部として見える。

次に本実施例のアライメント動作を第４図を参照して説
明する。

まずウェハＷ上のマークWMを対物レンズ18に視野内に導
き、マークWMがマーク26aに挟み込まれるようにXYステ
ージ３を位置決めする。そしてテレビモニターを見なが
ら、Ｚステージ２を上下動させるか、又は適当な焦点検
出系を用いたサーボ制御によりＺステージ２を上下動さ
せ、第１図に示すように対物レンズ18の焦点面FPとウェ
ハ表面とを一致させる。この状態（本発明の第２状態）
においてメモリ401を書き込みモードにし、ADC400を介
して画像信号S₁を読み込む。次に第４図に示すように、
対物レンズ18の焦点面FPに対してウェハ表面が上方に一
定量ｄだけデフォーカスした状態（本発明の第１状態）
になるようにＺステージ２を上方に駆動させる。この一
定量ｄは対物レンズ18の光学的特性（収差、倍率、OTF
等）や、観察している対象物のパターン構造によって必
らずしも一義的に決められるものではない。さてウェハ
表面をデフォーカスしていくと、像としては多少ボケて
いるがコントラスト（信号波形）が合焦状態よりも大き
く得られる点がある。そこでメモリ402を書き込みモー
ドにし、デフォーカス状態での画像信号S₁を記憶する。
インフォーカス状態（第２状態）での信号検出とデフォ
ーカス状態での信号検出との間でウェハＷ上のマークWM
は指標マーク26aに対して変動しないようにしておいた
方が望ましい。以上のようにして取り込まれたメモリ40
1、402内の波形は模式的に示すと第５図のようになる。
第５図（ａ）はインフォーカス状態での波形を示し、第
５図（ｂ）はデフォーカス状態での波形を示し、横軸は
走査位置を、縦軸は信号レベルを表わす。第５図
（ａ）、（ｂ）において、指標マーク26aに関する波形
（両脇のボトム波形）はインフォーカス状態、デフォー
カス状態を問わず安定している。インフォーカス状態で
のマークWMに対応した波形はウェハ表面の光学的特性の
影響をそのまま受けることになり、波形上の特徴（ピー
クやボトム）が多くなり電気処理的には難しいものにな
っている。ただしマークWMの両脇のエッジでは信号波形
ボトムになるので、ボトムの検出からマークWMの中心C₂
を求めることは可能である。ところが波形上の特徴が明
確に出ていなかったり、逆に特徴が顕著すぎたりする場
合は、ずれ量ΔＸの検出処理自体に大きな誤差が発生し
たり、最悪の場合検出不能になったりする。

一方、デフォーカス状態でのマークWMに対応した波形
は、所謂擬解像によるため、波形上の特徴は少ないがレ
ベル（コントラスト）の大きな単純波形になる傾向があ
り、マーク位置検出の処理が簡単になり、誤差の発生も
極めて少ない。このようにデフォーカス状態での波形を
使う場合、対物レンズ18の物体側はテレセントリックで
ある必要がある。非テレセントリック系であると、イン
フォーカス時とデフォーカス時とでマークWMの像の横ず
れが生じるからである。実際の検出処理としては所定の
スライスレベルV_rを設定して２値化し、その２値化波形
上の立上りと立下りの中心を求める方法、又は原信号上
のピーク位置を求める方法等が利用できる。

さて、オペレータはメモリ401と402内の２つの波形をモ
ニター画面上に表示させ、どちらを使うかを決定した後
に選択信号S₃をセレクタ404に印加する。尚、この決定
は自動的に行なうことも可能であり、波形のS/N比、特
徴の発生状態を評価する波形解析装置を用いて、所定の
条件を満足している方の波形を選ぶようにすればよい。

また本実施例ではインフォーカス状態での波形も検出す
るようにしたが、これは必ずしも必要なことではなく、
デフォーカス状態での波形のみに基づいてアライメント
を行なうようにしてもよい。さらにデフォーカス状態の
波形からマークWMの位置を特定し、この特定された位置
を基準にしてインフォーカス状態の波形の特徴をサーチ
するようにすれば、インフォーカス状態の波形のS/N比
が悪化している場合でも誤検出が低減されるといった利
点がある。

以上のようにしてずれ量ΔＸが検出されたら、そのとき
のXYステージ３の走査方向に関する位置X₀を別の測長器
（レーザ干渉計等）によって精密に検出し、位置X₀とず
れ量ΔＸとの和（又は差）をアライメント位置として記
憶する。このアライメント位置は、指標マーク26aの中
心にマークWMを位置決めしたときのXYステージ３の位置
にほかならない。従って、このアライメント位置が求ま
ることによって、ウェハＷ上の任意の領域と投影レンズ
１の露光視野との相対的な位置関係が規定される。

第６図は、第１図に示したパターン検出光学系を用いて
ウェハＷ上に形成された３本の平行な線状パターンを観
察したときに実際に得られた画像信号の波形を示す。３
本の線状パターンは走査位置上A₁、A₂、A₃に存在し、第
６図（ａ）は第４図と同一方向（Ｚステージ２の上方移
動）でのデフォーカス状態における波形、第６図（ｂ）
はインフォーカス状態における波形、そして第６図
（ｃ）は第４図の場合と逆方向のデフォーカス状態にお
ける波形である。デフォーカス状態でも前ピン側と後ピ
ン側とでは波形が異なるが、いずれの場合もインフォー
カス状態における波形と較べるレベルの大きな単純波形
となっており、どちらのデフォーカス状態においても信
号検出は十分可能である。尚第６図の各縦軸の信号レベ
ルは同一のアンプゲインのもとで検出された値を表わ
す。また第６図（ａ）と（ｃ）とで波形の位相（白黒）
が反転しているが、これは擬解像固有の現象である。そ
こで前ピン側と後ピン側の両者の波形に基づいてアライ
メントのためのマーク位置検出を行なってもよい。

ところで第１図においてレンズ系20はモータ22によって
可動となっているが、これはデフォーカス状態にしたと
き、イメージセンサー30の受光面上での像コントラスト
を調整するためのものである。Ｚステージ２を距離ｄだ
けずらしたとき、観察対象物によっては必ずしも良好な
コントラストが得られるとは限らない。そこでコントラ
スト情報CZを自動、又はマニュアルにて評価し、より大
きなコントラストが得られるように調整するものであ
る。このレンズ系20の調整はイメージセンサー30の受光
面と共役になる焦点面FPの位置をＺ方向に変えることに
他ならない。従って極端な場合、Ｚステージ２は上下動
させずに、レンズ系20のみを光軸方向にシフトさせるだ
けで、ウェハ表面と焦点面FPとを擬解像が得られる程度
にずらすことができる。また本実施例ではライトガイド
10を用いた均一照明としたが、レーザ光を対物レンズ18
を介してウェハＷ上に照射し、ウェハＷ上でスポット光
（帯状ビーム）にし、このレーザ光を振動又は等速走査
し、ウェハ表面からの反射光を、イメージセンサー30の
代りに配置されたフォトディテクタ（フォトダイオー
ド、フォトマル等）で光量検出してもよい。この場合、
レーザスポット光の走査に応じて光電信号をサンプリン
グすれば、画像信号の波形が検出できる。

以上本実施例はオフ・アクシス方式のアライメント系と
して説明したが、レチクルＲ上のマークRMとウェハＷ上
のマークWMとを投影レンズ１を介して同時に観察するア
ライメント系、所謂TTLアライメント系においても全く
同様に適用可能である。TTLアライメント系は第１図に
示したパターン検出光学系をそのままレチクルＲの上方
に配置した構成であるが、レチクルＲのマークRMが指標
マークとなるので指標板26に相当する部材は不要であ
る。そしてこの場合、投影レンズ１がウェハＷに対する
対物光学系を兼ねることになる。投影レンズ１のウェハ
側はテレセントリック系になっており、対物レンズ18に
よるウェハＷの観察と全く同様の観察ができる。通常こ
の種の投影レンズは単一波長に対して色収差補正されて
いるため、TTLアライメント系ではその単一波長スペク
トルの光をアライメント用の照明光としている。しかし
ながら単一波長スペクトルの光では、デフォーカス状態
にしても単にコントラストが低下していくのみであり、
擬解像を得ることはできない。そこで例えば第７図に示
すように、投影レンズの色消しされている波長λ_０を中
心に所定の帯域幅Δλを有する照明光を用いると、同様
に擬解像を得ることができる。この場合、帯域幅Δλを
大きくしすぎると、波長λ_０に対するインフォーカス状
態においてマークWMを観察しても像質が悪化するので適
当な幅に定めておく必要がある。また投影レンズそのも
のが異なる２波長に対して収差補正されている場合は、
その２波長のスペクトルを同時にアライメント用の照明
光として使うようにすればよい。

（発明の効果）以上本発明によれば、デフォーカス状態（検出光学系の
焦点深度外に対象物を配置した状態）でも解像が起る現
象（例えば擬解像）を利用し、デフォーカス状態でパタ
ーン像の光電検出を行なうようにしたので、基板表面の
光学的な特性の影響（干渉等）を低減させ、パターン自
体のプロフィールを表わしたS/N比の良い信号が得ら
れ、アライメント精度の向上が可能である。また本発明
は、基板上に形成された複数のパターン（マーク）の間
隔を計測する装置、あるいはフォトレジスト中に形成さ
れた潜像（反射率が周囲と異なる）の検出、又はその潜
像とレジスト下地に形成されたパターンとの間隔計測を
行なう装置に適用しても同様の効果が得られる。さらに
前ピン側と後ピン側との両者における擬解像により、パ
ターン位置を検出し、その両者を比較して横ずれを求め
ることにより、検出光学系のテレセン性（主光線と光軸
との平行度）をチェックすることができるといった利点
もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるアライメント装置の構成
を示す図、第２図は信号処理回路の回路ブロック図、第
３図はアライメント状態の一例を示す平面図、第４図は
デフォーカス状態を説明する図、第５図（ａ）はインフ
ォーカス状態での画像信号の波形図、第５図（ｂ）はデ
フォーカス状態での画像信号の波形図、第６図はマルチ
（３本）マークから得られた実際の画像信号の波形図で
ある。〔主要部分の符号の説明〕Ｗ……ウェハ、Ｒ……レチクル、２……Ｚステージ、10……ライトガイド、 14……ビームスプリッタ、 18……対物レンズ、 20,24……リレー系、26……指標板、 30……イメージセンサー 40……処理回路（ずれ検出手段）、 FP……焦点面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上の所定位置に形成されたアライメン
ト用のパターンを光学的に検出することにより、基準位
置に対する基板のアライメント状態を認識する装置にお
いて、少なくとも前記基板側がテレセントリックな光学系であ
り、所定の焦点面に前記アライメント用パターンを位置
させたとき、該パターンの像を所定の検出面に形成する
パターン検出光学系と；該パターン検出光学系の所定焦点面と前記基板とを相対
的に光軸方向に変位させる焦点調整手段と；前記所定焦
点面と前記基板の表面とを光軸方向に所定量だけずらし
た第１状態において、前記検出面に形成された前記パタ
ーン像の第１情報を光電検出する光電検出手段と；該光
電検出された信号に基づいて前記アライメント用パター
ンの前記基準位置からのずれを検出するずれ検出手段と
を備えたことを特徴とするアライメント装置。
【請求項２】前記光電検出手段は、さらに前記所定焦点
面と前記基板表面とをほぼ一致させた第２状態におい
て、前記検出面に形成された前記パターン像の第２情報
を光電検出し、前記ずれ検出手段は、前記第１情報によ
る信号と前記第２情報による信号とを比較し、少なくと
も一方の信号を前記ずれ検出のために選択する選択手段
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装
置。
【請求項３】前記パターン検出光学系は、前記アライメ
ント用パターンを所定の波長幅を有する照明光で照明す
るための送光光学系と、該照明光に対して色収差補正さ
れ、前記基板側でテレセントリックな対物光学系とを含
むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。