JPH0785466B2 - 位置合せ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、第１の物体を第２の物体上に結像光学系を介
して投影転写する装置に適用して第１および第２の２つ
の物体を位置合せする装置に関する。具体例としては、
フォトレジスト等の薄膜の塗布されたウエハとレチクル
を位置合せして露光するステッパの位置合せ装置に関す
る。

［従来技術］ この種の露光装置の基本的な２つの性能といえば解像力
と重ね合せ精度である。解像力に関しては取り扱いが非
常にシンプルである。なぜなら解像力を決定するパラメ
ータが数少ないからで、ステッパと呼ばれる装置におい
ては投影レンズの使用波長と開口数（NA）さえわかれ
ば、その光学系の解像力を容易に類推することができ
る。また、Ｘ線露光の場合でもパラメータは光源の大き
さによる半影ボケ等といった限られたものしか存在して
いない。

メモリーセルの１トランジスタ化が実現して以来、半導
体の高集積化の両翼を担ってきたのはリソグラフィすな
わち微細線幅焼付技術の進歩とエッチング等のプロセス
技術の進歩であった。解像力に関してはステッパのレン
ズの歴史を辿れば解るように光学系は着実に進歩してき
ている。光学方式は１μｍの壁を破り、サブミクロン時
代に対応したレンズが次々と発表されている。

一方、プロセスの方でも溝掘り方式等、低段差化、高段
差化相俟って三次元IC的な発想で新しいアイディアが実
現されている。露光装置側での解像力の進歩とプロセス
側での進歩は、各工程のパターンの重ね合せという舞台
で最も大きな接点を見出すこととなる。その意味で重ね
合せ精度は露光装置の中で重要度をますます高めている
といえる。

重ね合せ精度を解像力を取り扱ったようなシンプルなパ
ラメータで表示することは難しい。それはウエハプロセ
スの多様性を物語っているが、その一方で、重ね合せの
ためのアライメントシステムの構成が多種多様であるこ
とに起因しているともいえる。ウエハプロセス要因をよ
り複雑にしているのは、この問題が１つウエハ基板だけ
に留まらず、ウエハ上に塗布されているフォトレジスト
迄含めて論ずる必要があるからである。現在の半導体の
明らかな方向の一つにICの三次元的な構成への流れとい
うものが存在している。その中でウエハ表面の高段差化
は避けられないものであるが、この高段差がフォトレジ
ストの塗布状態に明らかな悪影響を及ぼす。またウエハ
は６インチから８インチさらには10インチとますます大
型化の傾向にある。大口径のウエハにフォトレジストを
スピン方式で塗布した場合、中心部と周辺部でレジスト
の塗布状況が異なるのは自明のことであり、その差がウ
エハ表面の段差が大きいほど顕著にあらわれることも明
らかである。実際、アライメント状態がレジスト塗布の
影響を受けて変化することは公知であり、逆に均一な塗
布の仕方をどうすれば良いかという研究がなされている
ほどである。

フォトレジストでもう一つ注意しなければならないのは
サブミクロン時代における多層化への流れである。多層
レジストプロセスやCELといった解像力向上のための手
段は必然的に幾つかの工程で採用されるので、これに対
する対策も必要である。露光装置は重ね合せという舞台
でこうした新しいウエハプロセスへの対処を迫られてい
るといえる。

一方、これに対してアライメントシステムの多様性はシ
ステム構成のフレキシビリティと困難さの証明である。
現在、提案され実現されているアライメントシステムは
一つとして同じものがなく、各システムがそれぞれ長所
と短所を合せ持っている。例えば本出願人になる特開昭
58−25638号「露光装置」が一つの事例として挙げられ
る。このシステムは投影光学系にレチクル及びウエハ双
方にテレセントリックな光学系を用いてTTL on Axisと
いう思想を実現した優れた構成例の一つである。投影レ
ンズはｇ線（436nm）に対して収差補正がなされている
が、同様の性能をHe−Cdレーザの波長（442nm）でも発
揮するようになっている。この特許出願で開示した一実
施例ではHe−Cdレーザによるレーザビーム走査法をアラ
イメント信号検知法として採用しており、この結果TTL
on Axisすなわちアライメントした状態で即露光動作に
入ることが可能となっている。TTL on Axisシステムは
露光装置として誤差要因がアライメント信号の検知エラ
ー唯一つであるという意味で、最もシステム的な誤差要
因の少ない構成であり、理想のシステムに近い。このシ
ステムの欠点は唯一つで、それは多層レジストのような
露光波長近辺の波長を吸収するようなプロセスに弱いと
いうことである。

一方、これに対して露光波長以外の波長、具体的にはｅ
線（546nm）とかHe−Neレーザ（633nm）といったより長
い波長を用いるシステム構成例も多数提案されている。
露光波長よりも長い波長を用いるため多層レジストのよ
うな吸収型のプロセスに対して、このシステムは強いと
いう利点を持っている。しかし、通常、投影レンズの色
の諸収差のためにアライメントする像高が投影レンズに
対して固定されており、アライメントの検出を行なった
後に露光位置までウエハを移動させるという誤差要因が
入り込むことになる。露光波長以外の光でのアライメン
トシステムはこのため必然的にTTL on Axisのシステム
となってしまうのである。

しかしながら、近年の重ね合せ精度に対する要求はます
ます厳しくなってきており、特開昭58−25638号に示し
たような理想システムにおける誤差要因であるアライメ
ント信号の検知エラーすら問題となる領域にまできてい
る。本発明では従来例に基づいてアライメント信号の検
知エラー成分を分析し、その誤差要因をとり除くことに
より、アライメント精度の向上を図ったことを特徴とし
ている。

アライメント信号の検知誤差成分を本願の発明者等が分
析したところによると、その誤差成分は種としてフォト
レジストの塗布問題に起因するものが大部分であること
が判明した。フォトレジストによる誤差要因は種々挙げ
られるが、そのうち最も大きいのは次の２つの要因であ
るものと考えられる。

第１はレジストの表面反射光とレジストを透過し、ウエ
ハ基板に当って戻ってくる光との干渉効果である。特に
前述したようにフォトレジストはウエハ内で均一に塗布
されているとは限らず、中心と周辺では塗布状態が異な
っている場合が多い。ウエハ基板自体もエッチング、ス
パッタ等のウエハ内均一性の問題を抱えている。そのた
め、ウエハ内の各ショットのアライメントマークの構造
はレジストの塗布迄含めて考えた時、場所場所で異り、
従って、干渉効果も異っている。レジスト塗布の影響で
アライメントに誤差が出るのはこの干渉による効果が最
も大きいと思われる。

第２の要因として挙げられるのは多重反射である。レジ
ストは一つの光導波路としての性格を持っている。その
ためにウエハ基板で反射された光の一部はレジストと空
気の境界面で反射され、またウエハに戻ってきて再反射
を受けることとなる。この影響は基板の反射率が高いほ
ど顕著であるし、またこの多重反射光が最終的には干渉
を起こしアライメントの精度を劣化させる要因ともな
る。

レジストの要因としてはその他に屈折による像ズレ等の
要因が考えられるが、それ等はあくまで二次的なもので
あり、今ここで挙げた２つの要因特に第１の干渉効果を
除くことがアライメントの精度向上に大きく貢献するこ
とが解析の結果確かめられた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明では従って、干渉効果を軽減し、より高いアライ
メント検出精度を実現するシステムを構成するための位
置検出装置を提供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］ 上記目的を達成するため本発明では、第１物体上に描か
れたパターンを投影光学系を介してレジストが塗布され
た第２物体上に投影露光する装置における、該第１物体
と該第２物体とを位置合せする位置合せ装置において、
前記投影光学系を介して前記第２物体上のマークを照明
する照明系と、前記マークからの光を検出する受光手段
とを有し、前記照明系の照明光の光束拡がり角をＡ、前
記受光手段の光軸が前記投影光学系の光軸となす角度を
Ｅ、前記第２物体表面に入射し反射した光が前記レジス
ト表面で反射されさらに前記第２物体表面で再度反射さ
れた際の前記投影光学系の光軸に対する出射角をＣとし
たとき、前記受光手段が、Ｅと（Ａ＋Ｃ）とが略等しく
なる位置に配置されることを特徴としている。

したがって、ウエハ面からの表面反射光や多重反射光の
影響をほとんどなくすとともにマークからの光強度の強
い回折光を受光するように受光手段を配置するので、高
精度の位置合せが実現できる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。第１図
は本発明の一実施例に係る位置検出装置をステッパすな
わち縮小投影露光装置に応用した例である。

同図において、縮小レンズ３はレチクル１上のパターン
２をウエハ４上に投影露光する役目を果たしている。縮
小レンズ３は、焼付ける対象物であるウエハの凹凸や、
通常、レンズ３とウエハ４の間に配置されているオート
フォーカス系の計測駆動エラー等に基づくフォーカスの
変動等によって、ディストーションおよび倍率が変化し
ないようにウエハ側ではテレセントリックとなっている
のが通常である。なお、第１図ではウエハ上の５の場所
がレチクル１上のパターン２に対応している。

本発明での最大の特徴は投影レンズ３の下に配置された
ウエハ信号検知系にある。第１図でこれから焼き付けら
れるべきウエハの部分５のためのアライメントマーク６
は、このマーク６に対し、所定の方向および角度で配置
されたウエハ信号検知系によって検知される。

これが本発明の最も主要な部分をなすものである。

既に述べたようにアライメント信号の検出エラーの最も
大きい要因はレジストの表面反射光とウエハ基板の反射
光との干渉である。この影響を無くすためには幾つかの
方法があるが、最も根本的な解決法は表面反射光をウエ
ハ信号検出系に入射させないことである。レジストの塗
布状態をSEMや干渉顕微鏡で観察したところ、たとえ非
常に大きい段差構造を持ったウエハでも、その上に塗布
されたレジストの表面の傾斜は最大で５゜前後であり、
それ以上急峻なスロープは存在しないことが判明した。
ステップカバレージの問題から大きい段差に対してはそ
れを上回る厚さのレジストを塗布するのが普通であり、
その結果はほぼ５゜前後の値に納まるのである。

このため、本発明ではウエハ検出系に対して第２図に示
すように次のような条件を付け加えるのが特徴である。
すなわち、レジストのスロープ角度Ｄを５゜、照明光17
の光束拡がり角をＡとすると表面反射光18は角度Ｂ＝10
゜であり、多重反射光19は基板で２回反射した光であれ
ば約25゜である。２回反射以上の場合は一般的に反射強
度が実用上充分小さいので、無視しうる。したがって、
アライメントマーク６のエッジ回折光20を検知する角度
Ｅを、 Ｅ≧Ｃ＋Ａ ……（１） とする。

このようにすると照明光のレジスト表面での反射光およ
び多重反射光はウエハ信号検知系に入らない。したがっ
て、アライメントマークからの反射光のみ検出すること
ができるのである。

エッジ回折光20は、照明光17からの角度が大きくなると
一般的に光強度が小さくなるので、エッジ回折光20を検
知する角度Ｅと（Ａ＋Ｃ）とが略等しくなることが好ま
しい。

これまでステッパで提案されてきたTTL方式は照明光を
投影レンズを介して照射し反射光を投影レンズを介して
受光していた。これに対し本発明は投影レンズの外側で
受光する方式であり、しかもＥ≧Ｃ＋Ａという規制値を
設けることによりレチクル表面反射および多重反射の除
去に成功したものである。アライメントマークそのもの
から回折光のみを分離して取り出せるということはアラ
イメント精度の向上に直接結びつくことを意味してい
る。

さて、以上はウエハ信号検知系であったがレチクル信号
検知系は第１図に示す如く光源９のビームを回転多面鏡
８により走査することによりレチクル１上のレチクルマ
ーク15を走査し、マークよりの反射光を検知素子10によ
り受光する。レチクル１を透過したビームが投影系を介
して前述のウエハマーク６を照明することとなる。これ
らに関しては本出願人による昭和61年６月12日付け特許
出願（発明の名称「観察装置」）を参照されたい。

第１図の装置において生成される位置合せ信号を第３図
に示す。３−（ａ）図はレチクルマーク15およびウエハ
マーク６をビーム走査する概念図である。その結果前述
のレチクル信号検知系より３−（ｂ）図に示す信号が発
生し、ウエハ信号検知系には３−（ｃ）図の信号が発生
する。これらを３−（ｄ）図に示す如く重ね合せて公知
の手段により位置合せ信号を得る。

以上のようにレチクルの直接反射信号と投影系を介さず
に受光したウエハ信号を合成して位置合せ信号を得るこ
とにより高精度の位置合せが可能となった。

前記実施例中、第１図における光源９は露光波長と同一
波長であることが望ましいが、露光波長以外を用いる時
は補正光学系16を用いてウエハ上に投影される走査ビー
ムの収差を補正することも可能である。必要あれば補正
光学系は露光時退避することも可能である。また、光源
９はレーザであることが望ましいが高輝度光源であれば
よく、たとえば水銀燈スペクトル線でもよい。

第４図は複数波長にて信号検知する例である。第１図に
加えて、他波長の光源９′、受光器14′およびビームス
プリッタが配置されている。補正光学系16は使用波長に
応じて出入りする。もちろん、３波長以上を使用するこ
とも同様にして可能である。こうすることにより、ウエ
ハのプロセス条件によらず常に良好な信号を得ることが
可能となる。

第５図は、オプチカルファイバにて受光する例である。
検知光学系の実装が容易かつ低コストとなる。

第６および７図は、それぞれウエハ上の検出位置を自由
に変更可能としたものである。

第１図においてウエハ４に露光されるパターン５の形状
は一般的に一定ではなく各種の寸法形状である。そのた
めアライメントマーク６を入れられる位置は変更され
る。そのため検出位置を変更可能とする必要性がある。
もちろん、第１図においてウエハ信号検知系が機械的に
移動可能であればよいのは当然であるが、そうでない場
合は、第６または第７図の構成により、検出位置を変更
可能とすることができる。

第６図においてマーク位置が6a,6b,6cの各位置をとると
すると、信号検知系は、それぞれの位置で（１）式を満
足する位置に配置され不図示の制御系により使用する検
知系を選択される。

第７図において、18はイメージガイドであり、その端面
において開口20をもつシッャタ19により使用箇所が不図
示の制御系により選択され集光レンズ21により受光器14
に導かれる。もちろんシャッタ19は機械的に移動するだ
けでなく液晶のような電気−光学効果を利用することも
可能である。

なお、第１図においてウエハ信号検知系は１対で図示し
てあるが、マークと回折光のとび方向との関係で必要で
あれば第８図に示すように２対以上とすることも可能で
ある。さらにウエハ信号検知系のウエハ水平面の配置方
向はアライメントマークエッジに直交する方向である。

各例を通して光受光器14は高感度のものが望ましい。な
ぜならマークエッジでの回折光のうち表面反射、多重反
射角度より外側の回折光を取り出すことは結果として相
対的に出力が小さくなる。この点からフォトマル等の高
感度のものが望ましい。

以上はいずれもビーム走査により信号検出する例につい
て述べてきたが、次にビーム走査しない例を述べる。

この場合は、第１図において、回転多面鏡が固定ミラー
となり、その代わりウエハを保持する不図示のウエハス
テージが走査される。ウエハステージにはレーザ干渉計
が配置されており、ステージ位置とアライメントマーク
位置の関係が測定される。レチクルは第１図の22で示す
レチクル合せ光学系（ウエハ信号検知系とは相対的な位
置が関係づけられている）と不図示のレチクル移動機構
により間接的にウエハ信号検知光学系に関係づけて位置
合せされる。すなわちウエハは干渉計によりウエハ信号
検知系に位置合せされ、レチクルはレチクル合せ光学系
により間接的にウエハ信号検知系に位置合せさせること
になる。こうすると高精度のビーム走査系が不要となり
シンプルで低コスト化が図れる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、位置合せ信号をレ
チクル信号と、ウエハ信号を分離して検出し合成して位
置合せ信号を得る、さらに言えばウエハ信号検知系は投
影レンズとウエハ間に配置され、ウエハ面からの表面反
射、多重反射角度より外側の回折光を受光するよう配置
されていることにより高精度の位置合せを行なうことが
可能となった。

【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を適用
したステッパの要部概略図、 第２図は、ウエハの照明光によるウエハ表面での反射の
様子を示す説明図、 第３図は、第１図の装置における各部信号波形図、 第４〜８図は、本発明の他の実施例を説明する図であ
る。 1:レチクル 3:投影レンズ 4:ウエハ 6:ウエハ段差部 8:ポリゴンミラー 9:光源 10:レチクル信号検知素子 14,14′：ウエハ信号検知素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１物体上に描かれたパターンを投影光学
   系を介してレジストが塗布された第２物体上に投影露光
   する装置における、該第１物体と該第２物体とを位置合
   せする位置合せ装置において、 前記投影光学系を介して前記第２物体上のマークを照明
   する照明系と、 前記マークからの光を検出する受光手段とを有し、 前記照明系の照明光の光束拡がり角をＡ、前記受光手段
   の光軸が前記投影光学系の光軸となす角度をＥ、前記第
   ２物体表面に入射し反射した光が前記レジスト表面で反
   射されさらに前記第２物体表面で再度反射された際の前
   記投影光学系の光軸に対する出射角をＣとした時、前記
   受光手段が、Ｅと（Ａ＋Ｃ）とが略等しくなる位置に配
   置されることを特徴とする位置合せ装置。
2. 【請求項２】Ｃが25゜であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のの位置合せ装置。