JPH0845814A - 露光装置および位置決め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】感光基板上に形成されたアライメントマークの
段差を感光基板表面との距離を一定に保つ探針を使用し
て検出することによって正確にアライメントマークの位
置を検出することを目的とする。 【構成】ステージ上に載置された感光基板Ｗにマスクの
パターンを露光する装置において、露光視野の中心から
略一定距離に設けられ、感光基板表面からの距離を一定
に保つように表面に対して垂直に移動する探針２４を備
えたマーク検出手段１８と、ステージ９の移動座標を検
出するステージ位置検出手段１２，１３と、マーク検出
手段の検出信号とステージ位置検出手段の移動座標とか
らマーク位置を出力する演算手段を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、半導体集積回
路、液晶デバイス基板等を製造するための露光装置およ
び位置決め方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造工程におけるリソ
グラフィー工程においてステップアンドリピート方式の
縮小投影型露光装置（以下、ステッパーと呼ぶ）は中心
的役割を担うようになっている。このステッパーにおい
て、レチクル（以下、上位概念の「マスク」で代表させ
ることがある）に形成された回路パターンの投影像と、
感光基板（以下、ウェハと呼ぶ）上にすでに形成されて
いる回路パターン（以下、チップと呼ぶ）との位置合わ
せに使用されるアライメントパターン検出手段としては
レーザーステップアライメント系（ＬＳＡ系）、フィー
ルドイメージアライメント系（ＦＩＡ系）などがある。

【０００３】ＴＴＬ（スルーザレンズ）方式のＬＳＡ系
は、投影光学系を介して横断面が帯状の形状をしたスポ
ット光をウェハ上に照射する。ウェハを載置したステー
ジをこのスポット光に対して走査して、ウェハ上のアラ
イメントマークがスポット光を横切る時に発生するアラ
イメントマークからの散乱光を検出することによって、
マーク位置を検出するものである。

【０００４】また、ＯＦＦ−ＡＸＩＳ系のＦＩＡ系は多
波長の光をウェハ上のアライメントマークに照射して、
この反射光をイメージセンサーで検出し、イメージセン
サーからの出力を画像処理することによって位置検出を
行うものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、アライメント系
は感光基板上のアライメントマークに光を投射すること
によってその位置を検出するため、マーク上の感光層に
よる干渉等の影響により検出誤差が生じ易い。ＦＩＡ系
は段差の小さなマークに対しては検出誤差が生じ易く、
ＬＳＡ系は非対称マークに対しては検出誤差が生じ易
い。これらの検出誤差が重ね合わせ精度を低下させると
いう第１の問題点があった。重ね合わせとは、感光基板
上のマークを指標にしてアライメントを行い、マスク上
のパターンを感光層上に投影露光をするとき、投影像と
マークとが所定の位置関係になるようにすることを重ね
合わせという。

【０００６】本発明の第１は、アライメントマークの検
出誤差による重ね合わせ精度の低下が防止された露光装
置を得ることを目的とする。また、従来は、露光時に重
ね合せ誤差（位置ずれ）が生じても、現像するまでは、
この重ねわ合せ誤差を検出することができないという第
２の問題点があった。現像後に重ね合わせ誤差を検出す
る方法は、手間がかかるという第３の問題点を招く。

【０００７】本発明の第２は現像前に重ね合せ誤差を検
出し、以って、重ね合せ露光時に正確に位置決めする方
法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するため手段】本発明の第１は、感光基板
（ウェハＷ）を載置する移動ステージ（ウェハステージ
９）を備え、マスクに形成されたパターンを感光基板上
に露光する露光装置に適用される。そして、本発明の露
光装置は、感光層の表面に対して垂直方向の距離を一定
に保つように保持された探針を備え、この探針で感光層
の表面を相対的に走査することにより、感光基板上に設
けられたアライメントマークの段差を検出して検出信号
を出力するマーク検出手段（例えば原子間力顕微鏡１
８：ＡＦＭ）と、ステージの移動座標を検出するステー
ジ位置検出手段（例えばレーザ干渉計１２、１３、１
４）と、マーク位置検出手段の検出信号が変化した時の
ステージ位置検出手段の移動座標の少なくとも一つから
アライメントマークのマーク位置座標を出力する演算装
置を備える。以上の構成によりマーク位置座標値に基づ
いてステージを移動させて露光を行う（請求項１）。

【０００９】ステージ位置検出手段は、ステージの移動
量に応じてサンプリングパルスを出力し、演算手段はマ
ーク検出手段から出力された検出信号をステージ位置検
出手段のサンプリングパルスによってサンプリングし、
得られた検出信号を演算処理してもよい（請求項２）。
探針は、感光層の表面との原子間力が一定になるよう
に感光層の表面との距離を一定に保って走査してもよい
（請求項３）。

【００１０】本発明の露光装置は、さらに、探針の相対
移動量に応じてサンプリングパルスを出力する探針位置
検出手段を備え、演算装置はマーク検出手段から出力さ
れた検出信号をステージ位置検出手段のサンプリングパ
ルスと探針位置検出手段のサンプリングパルスとの両方
によってサンプリングし、演算処理をすることによりア
ライメントマークのマーク位置座標を出力してもよい
（請求項４）。

【００１１】本発明の第２の位置決め方法（重ね合せ誤
差検出方法）においては、まず初めに所定位置に第１ア
ライメントマークがそれぞれに形成された複数の処理領
域を有し、表面に感光層が形成された感光基板と、第２
アライメントマークを含むパターンを有するマスクと、
感光基板を載置し、感光基板面に平行な２次元方向に移
動可能なステージとを準備する。そして、「ステージを
移動する事によって、アライメント手段が複数の処理領
域の内の一つの第１アライメントマークを検出する事が
できる第１位置へ感光基板を移動し、そこにおいて、ア
ライメント手段によって、マークの位置座標を検出する
動作」を順次繰り返すことによって、いくつかの処理領
域の第１アライメントマークの位置座標を検出する。こ
の位置座標に基づいて、統計演算する事により、全部の
処理領域の第１アライメントマークの位置座標を求め
る。それから、少なくとも（１）基準点が感光基板上に
投影された位置である第２位置と第１位置との距離を表
すベースライン量と（２）第３工程で求められた所定の
処理領域の第１アライメントマークの位置座標に基づい
て、ステージを移動する事により感光基板を露光位置へ
移動する。第２アライメントマークを露光する事によ
り、該マークの潜像を感光層に形成する。探針を感光層
表面との原子間力が一定になるように、感光層の表面を
相対的に走査する事により、第１アライメントマークと
潜像の段差を検出し、それによって第１アライメントマ
ークと潜像の位置ずれ量を検出する。少なくとも（１）
第３工程で求めた位置座標と（２）ベースライン量と
（３）第６工程で検出された位置ずれ量とに基づいて、
ステージを露光位置へ移動させる。以上の動作によって
位置決めを行う（請求項５）。

【００１２】第６工程と第７工程の間において、感光基
板を交換してもよい（第８工程）。この場合、「ステー
ジを移動する事によって、アライメント手段が複数の処
理領域の内の一つの第１アライメントマークを検出する
事ができる第１位置へ感光基板を移動し、そこにおい
て、アライメント手段によって、該マークの位置座標を
検出する動作」を順次繰り返すことによって、いくつか
の処理領域の第１アライメントマークの位置座標を検出
する（第９工程）。その後、第９工程で検出されたいく
つかの位置座標に基づいて、統計演算する事により、全
部の処理領域の位置座標を求める（第１０工程）。更
に、第７工程を、少なくとも（１）第１０工程で算出さ
れた位置座標と（２）ベースライン量と（３）第６工程
で検出された位置ずれ量とに基づいて、ステージを露光
位置へ移動させる第７´工程に代える。以上の動作によ
って位置決めを行ってもよい（請求項６）。

【００１３】

【作用】本発明の第１の露光装置は、アライメントマー
ク等を原子間力（例えば反発力）を利用して、感光層の
表面に対して垂直方向の距離を一定に保つように保持さ
れた探針で感光基板表面の段差を直接検出する。このた
め、低段差、非対称のマーク位置を高精度に検出できる
ので、高精度の重ね合わせを行うことができる。

【００１４】本発明の第２の位置決め方法は、露光によ
って生じた感光層（レジスト）の段差（潜像）を、現像
をすることなしに、感光層の表面から垂直方向の距離を
一定に保つ探針で検出する。そして、マスク上の基準点
が感光基板上に投影された位置とアライメント系の検出
位置との距離であるベースライン量を補正して位置決め
を行う。現像なしに位置決めできるので、製造工程全体
のスループットが向上する。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の第１の実施例
を説明する。図１はウェハアライメント系として原子間
力顕微鏡を備えた本発明の第１の実施例によるステッパ
ーの概略的な構成を示す図である。図１において、露光
用の照明光源１はｇ線、ｉ線等のレジストを感光するよ
うな波長（露光波長）の照明光を発生する。この照明光
は、フライアイレンズ等から構成され照明光の一様化等
を行う照明光学系２、及びビームスプリッター３を通っ
た後、ミラー４を介してコンデンサーレンズ５に至る。
そして、レチクルステージ６に保持されるレチクルＲの
パターン領域Ｐａを均一な照度で照明する。なお、レチ
クルＲにはパターン領域Ｐａに付随して、Ｙ、Ｘ方向に
それぞれ伸びたアライメントマーク（矩形の透明窓）Ｓ
ｘ、Ｓｙが不図示であるが形成されている。図１におい
て、Ｘ方向は左から右方向、Ｙ方向は紙面表から裏の方
向である。片側（若しくは両側）テレセントリックな投
影レンズ７は、レチクルＲのパターン領域Ｐａに描かれ
た回路パターンの像をレジストが塗布されたウェハＷ上
に投影する。

【００１６】ウェハホルダー（θテーブル）８は、ウェ
ハステージ９上に載置され、ウェハＷはウェハホルダー
８に真空吸着されている。このウェハステージ９は、駆
動部１０、１１によって、投影レンズ７の光軸ＡＸに垂
直なＸＹ平面内を２次元的に移動する。レーザ干渉計１
２は、ウェハステージ９上に設けられた移動鏡Ｍｘと、
投影レンズ７に一体に固設された原子間力顕微鏡１８
（詳細後述）に設けられた固定鏡Ｍｆ１との両方に、ビ
ームスプリッター１２ａ、反射ミラー１２ｂを介してレ
ーザ光束を照射する。レーザ干渉計１２は、移動鏡Ｍｘ
と固定鏡Ｍｆ１によって反射された光束による干渉縞を
受光面で光電的に検出して、ウェハステージ９のＸ方向
の位置を検出可能に構成されている。

【００１７】また、ウェハステージ９には基準マーク
（フィデューシャルマーク）を備えたガラス基板等の基
準部材１５が、その表面とウェハＷの表面とが投影レン
ズ７の光軸方向に関して略一致するように、設けられて
いる。この露光装置は、ＴＴＬ（スルーザレンズ）方式
のレーザステップアライメント系（ＬＳＡ系）１６、１
７を備えている。このＬＳＡ系１６、１７を使用してウ
ェハＷ上のアライメントマークあるいは基準部材１５の
回折格子マークの位置検出を行う。この場合、ＬＳＡ系
１６、１７は回折格子マークからの回折光を光電検出し
た検出信号を主制御装置２０へ出力する。そして、レー
ザ干渉計１２、１３はステージの移動に基づいて出力さ
れるサンプリングパルスを主制御装置２０へ出力する。
主制御装置２０は、検出信号をサンプリングパルスでサ
ンプリングし、サンプリングされた信号を演算して、ウ
ェハＷ上のアライメントマークあるいは基準部材１５の
回折格子マークの位置を検出する。このＬＳＡ系１７の
ビームＳＢｙが回折格子マーク１５ｂｙを走査した時の
検出信号を図６に示す。

【００１８】さらに投影レンズ７から所定距離にＯＦＦ
−ＡＸＩＳアライメント系としてＦＩＡ系２５が設けら
れているが、これは後述する。図２は原子間力顕微鏡１
８と位置検出系の概略的な配置を示す図である。この図
で示すように、レーザ干渉計１３は、ウェハステージ９
上に設けられた移動鏡Ｍｙと投影レンズ７の鏡筒に設け
られた固定鏡Ｍｆ２とにレーザ光束を照射する。そし
て、レーザ干渉計１３は、移動鏡Ｍｙと固定鏡Ｍｆ２に
よって反射された光束による干渉縞をレーザ干渉計１３
の受光面で光電的に検出することによりウェハステージ
９のＹ方向の位置が検出される。レーザ干渉計１４は、
ウェハステージ９上に設けられた移動鏡Ｍｙと原子間力
顕微鏡１８の鏡筒に設けられた固定鏡Ｍｆ３とにレーザ
光束を照射する。そして、レーザ干渉計１４も移動鏡Ｍ
ｙと固定鏡Ｍｆ３によって反射された光束による干渉縞
を受光面で光電的に検出することによってウェハステー
ジ９のＹ方向の位置が検出可能である。

【００１９】レーザ干渉計１２、１３からのレーザ光束
中心線（測長軸）は同一平面内で直交し、かつ投影レン
ズ７の光軸ＡＸがその交点を通るように配置されてい
る。そして、レーザ干渉計１２、１４からのレーザ光束
中心線は同一平面内で直交し、かつ原子間力顕微鏡１８
の光軸がその交点を通るように配置されている。また、
このレーザ干渉計１２、１３、１４の３つの測長軸を含
む平面が投影レンズ７の結像面と略一致するように配置
されている。このように、レーザ干渉計１２、１３は露
光位置に対して、レーザ干渉計１２、１４はアライメン
ト位置に対して、それぞれアッベ誤差が略零となるよう
構成されている。

【００２０】図３は、レチクルＲ上のアライメントマー
クとＯＦＦ−ＡＸＩＳ系のアライメント系とのステージ
座標系上での位置を計測するベースライン計測の動作の
説明の為に図１の装置を部分的に示す図である。光ファ
イバー２１で伝送された露光光が、レンズ２２及びミラ
ー２３を介して基準部材１５を下方から照明される。そ
して、露光光は、投影レンズ７を介してレチクルＲのパ
ターン面に十字パターン１５ａの投影像１５ａ’を結像
する。その状態で図５（ａ）に示すように投影像１５
ａ’がアライメントマークＳｙをＹ方向に相対的に走査
するようにウェハステージ９をＹ方向に微動させる。こ
のアライメントマークＳｙを透過した光は、コンデンサ
ーレンズ５、ミラー４及びビームスプリッター３を介し
て光量検出系１９に入射し、光量検出系１９は検出信号
を主制御装置２０へ出力する。

【００２１】図４は、基準部材１５上のマークの配置図
である。この基準部材１５上には、光透過性のスリット
パターンである十字パターン１５ａと、Ｙ、Ｘ方向に伸
びて光反射性のクロム層で段差をもって形成された回折
格子マーク１５ｂｘ、１５ｂｙと、同様に段差をもって
形成された格子状マーク１５ｃｘ、１５ｃｙとが形成さ
れている。

【００２２】ここで、図１を用いて、原子間力顕微鏡１
８について説明する。この原子間力顕微鏡１８は探針２
４を持ち、探針２４は駆動装置（不図示）によりウェハ
Ｗに対して垂直な方向に移動可能な構成になっている。
この駆動装置は、探針２４をウェハＷ上もしくは基準部
材１５上の微小距離（探針２４の針先の原子とウェハＷ
上の原子との反発力が発生する程度の距離）に近づけ
る。この時、探針２４は、ウェハＷ上の原子との反発力
によってウェハＷに垂直な方向に自由に移動する事が可
能なように設定される。この状態でウェハステージ９を
探針２４と相対的に走査した時、ウェハＷ上に段差があ
ると、この反発力が一定になるように探針２４はウェハ
Ｗの表面に対して垂直方向に移動する。原子間力顕微鏡
１８は、この移動量を電気信号に変換し、主制御装置２
０へ出力する。図７は、基準部材１５上の格子状マーク
１５ｃｙを検出した時のマークと検出波形である。この
探針２４は、アライメントマーク検出時にウェハＷ上の
微小距離に近づけられて計測を行い、計測を行なわない
時には、ウェハＷ上から離れた場所に待避する機構にな
っている。

【００２３】さらに、図７を使用して、原子間力顕微鏡
１８を使用したマーク位置検出について基準部材１５上
の格子状マーク１５ｃｙのマーク位置検出動作により説
明する。まず、基準部材１５上の格子状マーク１５ｃｙ
のマークの走査方向（図７（ａ）のＳＴからＥＰの方
向）に対して手前数十μｍの基準部材１５の上部に原子
間力顕微鏡１８が位置するようにウェハステージ９が移
動する（図７の走査開始位置ＳＰ）。ここで、探針２４
が基準部材１５上の段差を検出できる位置まで下降し、
探針２４が格子状マーク１５ｃｙの段差を検出する方向
にウェハステージ９は、走査終了位置ＥＰまで移動す
る。この時、原子間力顕微鏡１８は、探針２４のウェハ
Ｗに対して垂直な方向の移動量を電気信号に変換した信
号を主制御装置２０へ出力する。また、レーザ干渉計１
３、１４はウェハステージ９の移動に応じて出力される
サンプリングパルスを主制御装置２０へ出力する。主制
御装置２０は、原子間力顕微鏡１８からの信号をサンプ
リングパルスでステージの位置情報に対応させてサンプ
リングし、サンプリングされた信号から演算処理によっ
てマークの中心位置座標を検出する。

【００２４】この演算処理は、例えばサンプリングされ
た信号のピーク値を検出し、このピーク値に対応するス
テージ位置をマーク位置とする。または、あるスライス
レベルを設定し、このスライスレベルをサンプリングさ
れた信号が横切った２点間の中点をマーク位置とするよ
うな処理を行うようにすればよい。この原子間力顕微鏡
１８は、Ｘ方向のアライメントマークとＹ方向のアライ
メントマークとの両方を検出することが可能となってい
る。

【００２５】次に、本実施例のように構成された装置の
レチクルＲ上のアライメントマークＳｘ、Ｓｙとアライ
メントセンサー（ここでは原子間力顕微鏡１８）のウェ
ハステージ９上の座標系での位置関係であるベースライ
ン量の計測動作について説明する。まず、基準部材１５
の十字パターン１５ａの下方から射出した露光光がレチ
クルＲのアライメントマークＳｙと相対的にＹ方向に走
査する。これによって、前述したように光量検出系１９
は検出信号を主制御装置２０へ出力する。また、この走
査時にレーザ干渉計１３はサンプリングパルスを主制御
装置２０へ出力する。主制御装置２０は、検出信号を演
算処理して、座標位置を算出する。この際、投影像１５
ａ’とアライメントマークＳｙとが合致したときに最大
光量が透過し、順次そのずれ量に応じて光量が減少す
る。アライメントマークＳｙを透過した光が光量検出系
１９により光電変換される。この結果、得られた光電信
号Ｓ１を図５（ｂ）に示す。同図において、光電信号Ｓ
１がピークになる位置が、投影像１５ａ’とアライメン
トマークＳｙとが合致した位置、つまりアライメントマ
ークＳｙのＹ方向位置である。

【００２６】次に、基準部材１５の十字パターン１５ａ
と予め定められた関係で配置された格子状マーク１５ｃ
ｙを原子間力顕微鏡１８で位置検出するようにウェハス
テージ９が移動する。ウェハステージ９が相対的に走査
することで原子間力顕微鏡１８は、格子状マーク１５ｃ
ｙの段差を検出し、原子間力顕微鏡１８のＹ方向の座標
位置が求められる。格子状マーク１５ｃｙと原子間力顕
微鏡１８の出力を図７に示す。

【００２７】アライメントマークＳｙのウェハステージ
９上の座標位置と、十字パターン１５ａと格子状マーク
１５ｃｙとの位置関係と、原子間力顕微鏡１８のウェハ
ステージ９上のＹ方向の座標位置とからアライメントマ
ークＳｙと原子間力顕微鏡１８のＹ方向の位置関係（Ｙ
方向ベースライン）が求められる。同様に、基準部材１
５の十字パターン１５ａと格子状マーク１５ｃｘとを用
い、アライメントマークＳｘと原子間力顕微鏡１８のＸ
方向の位置関係（Ｘ方向ベースライン）が求められる。

【００２８】なお、原子間力顕微鏡１８が格子状マーク
を走査する時、同じ場所を複数回走査することによっ
て、主制御装置２０が平均化処理を行なってもよい。ま
た、走査する方向と直交した方向に微小距離移動させて
再び走査することを複数回行ない、マーク形状の誤差を
なくすように、主制御装置２０が平均化処理を行うこと
も可能である。これは、ウェハＷ上のアライメントマー
クを検出する時も同様である。

【００２９】次に、ウェハＷのアライメント動作につい
て説明する。まず、一定の配列で整列されたパターンを
もつウェハＷの切り欠き部（以下ＯＦ）をほぼ一定の方
向に向けてウェハＷがウェハステージ９上に載置され
る。このウェハＷを一定の方向に向ける動作は、プリア
ライメント装置（不図示）によってウェハＷのＯＦを用
いて行われる。このウェハＷをＬＳＡ系１６によってウ
ェハ上の２つのＹアライメントマークの位置を検出する
ことによって主制御装置２０がウェハＷのウェハステー
ジ９の走りに対しての回転量を検出する。そして、ウェ
ハステージ９の走りとウェハＷ上の配列とが一致するよ
うにウェハＷを回転させる。さらに、再びＹアライメン
トマークの位置検出とＬＳＡ系１７によってＸ方向のア
ライメントマークの位置検出を行う。この操作によって
ウェハステージ９の座標系とウェハＷ上に配列された座
標系の対応付け（規定）が行われる。

【００３０】そして、原子間力顕微鏡１８がウェハＷ上
のアライメントマークを検出し、検出されたアライメン
トマーク位置に基づいて露光が行われる。具体的なアラ
イメント手法としては、例えば、ウェハＷ上の数ショッ
トのマーク位置を検出し、この数ショットのマーク位置
座標から統計的演算手法を用いてウェハＷ上のショット
配列を求める方法がある。これは、Ｘ、Ｙ方向のオフセ
ット、ウェハローテーション、Ｘ，Ｙ方向スケーリン
グ、Ｘ、Ｙ軸直交度の各補正値が最小となるようなショ
ット配列座標を算出する。そして、求められたショット
配列座標とベースライン量とに基づいてウェハステージ
９を移動させて、露光を行う。このアライメント方式
は、所謂ＥＧＡ方式と呼ばれ、特開昭６１−４４４２９
号公報等に開示されている。もしくはウェハＷ上の各露
光ショットに対してアライメントマーク位置検出が行わ
れ、このマーク位置とベースライン量とに基づいて、露
光位置までショットが移動し、所謂サイト・バイ・サイ
トアライメント方式により露光が行なわれるようにして
もよい。

【００３１】このアライメントのマーク検出について説
明する。まず、Ｘ方向の位置検出を行うために、検出す
るマークの所定の位置にウェハステージ９が移動し、待
避させていた原子間力顕微鏡１８の探針２４がウェハＷ
上に下降する。次に、ウェハステージ９がマークを検出
するＸ方向に動作する。この時、主制御装置２０は原子
間力顕微鏡１８の検出信号とレーザ干渉計１２が微小距
離の移動毎に出力するサンプリングパルスとの両方を入
力し、原子間力顕微鏡１８の検出信号のサンプリング処
理を行う。この時、検出するウェハＷ上のマークの断面
図とその検出波形を図８に示す。このサンプリング処理
によって得られた波形を演算処理をすることによりマー
ク座標位置を検出することが可能となる。ここで、別の
マーク検出位置へウェハステージ９を移動させる時、探
針２４がウェハＷから離れる方向へ待避してからウェハ
ステージ９は移動しなければならない。

【００３２】このように原子間力顕微鏡１８を用いて、
アライメントマークを検出する事によってマークが低段
差であったり、非対称な形状であってもマークの形状に
応じた信号（正確にはレジスト像の信号）が得られる。
このため低段差や非対称なマーク形状に応じてマーク位
置検出のための演算処理を行なえば、マーク位置検出時
の検出誤差をなくす事が可能となる。

【００３３】次に、第２の実施例を説明する。本実施例
では、原子間力顕微鏡１８の探針２４の原子間力顕微鏡
１８に取り付けられた固定鏡Ｍｆ１に対する移動量を検
出するためにレーザ干渉計２６が図１の装置に付加され
ている。これは、原子間力顕微鏡１８を使用してアライ
メントマーク等の検出を行う時、マークの段差の影響な
どで、マーク検出中に僅かながら探針２４が計測方向に
振れることがある。この原子間力顕微鏡１８の探針２４
の振れを検出してマーク位置を精確に検出することを本
実施例は目的としている。

【００３４】本実施例による構成を図９より説明する。
図９は第１実施例からの変更部分に関して示してある。
探針２４に固定鏡Ｍｆ１ａがレーザ干渉計２６のレーザ
光束を反射可能に設けられている。レーザ干渉計２６
は、ビームスプリッター２６ａ、反射ミラー２６ｂによ
って固定鏡Ｍｆ１と固定鏡Ｍｆ１ａとにレーザ光束を照
射する。探針２４が基準部材１５またはウェハＷ上のア
ライメントマークを検出する時、レーザ干渉計２６は探
針２４のＸ方向の移動量に応じてサンプリングパルスを
主制御装置２０へ出力する。このレーザ干渉計２６によ
って探針２４の移動量を検出する事ができる。

【００３５】このレーザ干渉計２６を使用して、マーク
位置検出を行う動作について説明する。図７（ａ）に示
すマークを検出する場合、第１の実施例での説明のよう
に、走査開始位置ＳＰに探針２４が位置するようにウェ
ハステージ９を移動させる。次に第１の実施例と同様
に、この位置で探針２４がウェハＷ上に下降し、ウェハ
ステージ９を移動させて走査終了位置ＥＰまで探針２４
が相対的に移動する。本実施例では、探針２４をウェハ
Ｗ上に下降させた時、レーザ干渉計２６のレーザ光束が
固定鏡Ｍｆ１ａを照射し、探針２４がＸ方向に移動する
量に応じてレーザ干渉計２６はサンプリングパルスを主
制御装置２０へ出力する。また、これとは別にレーザ干
渉計１２はウェハステージ９の移動量に応じて出力され
るサンプリングパルスを主制御装置２０へ出力し、原子
間力顕微鏡１８は探針２４のウェハＷに対して垂直な方
向の移動量を電気信号に変換した検出信号を主制御装置
２０へ出力する。

【００３６】主制御装置２０は、原子間力顕微鏡１８か
らの検出信号をレーザ干渉計１２とレーザ干渉計２６の
両方のサンプリングパルスでステージの位置情報と探針
位置情報に対応させてサンプリングする。具体的には、
レーザ干渉計１２からサンプリングパルスが出力された
時に原子間力顕微鏡１８からの検出信号がサンプリング
され、レーザ干渉計２６からサンプリングパルスが出力
された時にも原子間力顕微鏡１８からの検出信号がサン
プリングされる。これによって、ステージの位置情報と
探針の位置情報との両方を加えた位置情報における探針
２４のウェハＷに対して垂直な方向の移動量をサンプリ
ングする事が可能となる。このサンプリングされた位置
情報を演算処理する事によってマーク位置が求められ
る。この時、２つのサンプリングパルスによって信号を
サンプリングするために、ウェハステージ９の移動方向
に対して逆の方向に探針２４が移動した場合など、同じ
ステージ座標位置で２つ以上の信号が生じるが、これら
の信号を平均してその座標位置での信号とすればよい。

【００３７】以上、Ｘ方向のマーク検出に関して、本実
施例を説明したが、Ｙ方向のマーク検出に関しても同様
に探針２４に固定鏡を設け、レーザ干渉計のレーザ光束
を照射し探針２４の移動が検出されれば、同様にマーク
位置検出が行える。また、レーザ干渉計１２とレーザ干
渉計２６のサンプリングパルスの処理の方法は、上記に
限ったものでない。レーザ干渉計１２のステージ位置情
報をレーザ干渉計２６の探針位置情報によって補正しな
がらサンプリングを行うという方法も可能である。これ
は、探針２４のウェハＷに対して垂直な方向の移動量の
サンプリングをレーザ干渉計１２のサンプリングパルス
のみで行う。そして、この時のステージ位置情報はこの
時の探針位置情報を加えた情報とするものである。その
他、レーザ干渉計１２とレーザ干渉計２６の位置情報か
ら探針位置情報を考慮したステージ位置情報が得られる
方法であればどのような処理を行なってもよい。

【００３８】なお、この第１、第２の実施例は、ウェハ
アライメント系にＬＳＡ系の他に原子間力顕微鏡１８の
みを設けた。しかし、原子間力顕微鏡１８の他にＦＩＡ
系２５等のウェハアライメント系を設け、アライメント
マークの状態に応じてウェハアライメント系を選択して
も良い。例えば、非対称マークでも、マークの段差がＦ
ＩＡ系でも十分検出できる高さである場合は、ＦＩＡ系
２５を選択してアライメントマーク位置検出が行える。
また、本実施例ではベースライン計測の際に、原子間力
顕微鏡１８で基準部材１５の十字パターン１５ａと予め
定められた関係で配置された格子状マーク１５ｃｘ、１
５ｃｙを検出したが、十字パターン１５ａそのものの段
差を検出するようにしても良い。

【００３９】さらに、第３の実施例を説明する。本実施
例では、原子間力顕微鏡１８とは別の投影レンズ７から
所定距離はなれて設置されたＯＦＦ−ＡＸＩＳアライメ
ント系が第１実施例の構成に対して、更に備えられてい
る装置において説明する。本実施例では図１に示してい
るとおりＯＦＦ−ＡＸＩＳアライメント系としてＦＩＡ
系２５が原子間力顕微鏡１８と投影レンズ７を介してＸ
軸上の反対側に設けられている。

【００４０】このＦＩＡ系２５を使用してアライメント
を行い、露光を行なった時の重ね合せ誤差検出方法につ
いて以下に説明する。まず、ＦＩＡ系２５のベースライ
ン計測が行われる。このベースライン計測は、第１の実
施例で原子間力顕微鏡１８のベースライン計測と同様に
してレチクルＲ上のアライメントマークＳｘ、Ｓｙの位
置とＦＩＡ系２５の位置関係を基準部材１５のマークを
使用して求める。この際、本実施例では、ＦＩＡ系２５
用マーク（不図示）を基準部材１５上に用意しておき、
このマークによって検出を行う。

【００４１】このベースライン計測を予め行なっておい
て、ウェハＷの露光を行なっていく。ウェハＷの露光動
作は第１の実施例での説明と同様に、ウェハＷのＯＦの
位置を略一定の方向にしてウェハステージ９に載置して
ＬＳＡ系１７によってウェハステージ９の座標系とウェ
ハＷ上に配列された座標系の対応付け（規定）が行われ
る。そして、第１の実施例での説明と同様にＥＧＡ方式
やサイト・バイ・サイトアライメント方式によりＦＩＡ
系２５を使用してアライメントが行われる。そして、ウ
ェハＷ上に予め設けられたアライメントマークに対して
所定の位置関係になるようにレチクルＲ上のパターンが
露光される。この時の露光ショットは、ウェハＷ上の半
導体回路の製造に使用しない領域を使用する。例えば、
ウェハ周辺領域の欠けショットの残ったアライメントマ
ークを使用したり、不要なショットのアライメントマー
クを使用する。また、この露光ショットは、予め決めら
れた数ショット、計測誤差を平均化してベースライン誤
差（ベースライン量の変動量）が求められる程度のショ
ット数で、なおかつスループットを落とさない程度の数
ショットで行うことが望ましい。

【００４２】このように露光した後、例えば図１０で示
したような予めウェハＷ上に形成された第１パターン３
２に対して第２パターン３３の潜像が所定の位置関係で
ウェハＷ上に形成される。次に、この第１パターン３２
の段差と第２パターン３３の潜像の段差との両方を原子
間力顕微鏡１８が検出する。この検出動作も第１実施例
で説明したと同様な動作を行うことによって第１パター
ン３２と第２パターン３３の潜像の検出を行う。図１１
（ａ）に示すようにレジスト上に第２パターン３３の潜
像３３ａを形成する事で、レジストは僅かながら窪む事
がわかる。第１パターン３２と第２パターン３３の潜像
とを原子間力顕微鏡１８で検出した信号波形を図１１に
示す。この信号波形を処理することによって第１パター
ン３２と第２パターン３３の潜像の位置関係を求める。
この位置関係を露光したショット数分求め、これを平均
した位置関係計測値と第１パターン３２と第２パターン
３３の予め定めておいた設計位置関係との差からＦＩＡ
系２５のＹ方向のベースライン誤差が求められる。

【００４３】Ｘ方向についても同様に露光を行い、重ね
合わせの位置ずれ検出を行いＦＩＡ系２５のＸ方向のベ
ースライン誤差を求める。この求められたベースライン
誤差をＦＩＡ系２５のベースライン量に加えて新たなベ
ースライン量とする。この補正されたベースライン量を
使用して再度ＥＧＡ等のアライメントを行い本露光を行
う。具体的には、ベースライン誤差計測後、ＥＧＡ方式
により、アライメントを行い、この求められたショット
配列と新たに求められたベースライン量に基づいて露光
位置にウェハステージ９を移動させ、露光を行う。

【００４４】なお、重ね合わせ誤差の検出はベースライ
ン量の安定性に応じて、ウエハ毎、ロットの先頭毎、一
定ウエハ枚数毎のいずれかで行う。第１パターン３２と
第２パターン３３の形状や位置関係は上記の形式にとら
われることはない。例えば、第１パターン３２が第２パ
ターン３３よりも大きな形状にしておき、図１２のよう
に第１パターン３４の中心が第２パターン３５の中心と
同一となるように露光することも可能である。この場
合、第１パターン３４と第２パターン３５がそれぞれ１
本ずつであるため演算処理が簡略化する事ができ、なお
かつ第１パターン３４と第２パターン３５の位置ずれを
そのままベースライン誤差とすることができる利点があ
る。

【００４５】従来ベースライン誤差の計測は、重ね合わ
せ露光に先だってテストレチクルの基準パターン（バー
ニアマーク等）をウエハ上に形成し、これを所定の計測
器で検出して測定し、このベースライン誤差の測定値を
オペレーター等が露光装置に入力して補正していた。し
かしながら、原子間力顕微鏡１８を使用する事によっ
て、現像を行なわずに高精度に潜像の段差とウェハ上に
形成されたアライメントマークを検出できるため、スル
ープットの向上と高精度なベースライン誤差計測を行う
事が可能となった。また、従来のレジストが感光しない
波長を用いて光学的に潜像を検出する方法では、レジス
ト表面と基板表面との両方で反射した光による干渉など
によって正確に位置検出できないことがあった。しか
し、この原子間力顕微鏡１８を使用することによって、
マークの段差を正確に検出することができるようになっ
た。

【００４６】この第３の実施例では、潜像を使用して、
現像を行なわずに原子間力顕微鏡１８によってベースラ
イン誤差の計測を行い、ベースライン量の修正を行なっ
た。しかしながら、第１パターンに対して第２パターン
を露光して現像を行い、現像を行なったレジスト像であ
る第２パターンと第１パターンを原子間力顕微鏡１８が
重ね合せ誤差を検出して、ベースライン量の誤差を補正
する事が可能である。この場合も原子間力顕微鏡１８の
高精度にマーク検出が可能であるという利点がそこなわ
れる事はない。

【００４７】また、このＯＦＦ−ＡＸＩＳアライメント
系は特にＦＩＡに限られたものではなく、他のＯＦＦ−
ＡＸＩＳアライメント系を使用しても差し支えない。ま
た、ベースライン量の変動の影響をうけるＴＴＬ−ＬＳ
Ａ系、ＴＴＬ−ＦＩＡ系等のＴＴＬアライメント系にお
いて使用しても同等の効果が得られる。以上、本発明に
おける実施例を説明したが、これら実施例では原子間力
顕微鏡１８は一つでＸ方向とＹ方向を検出可能な構成と
した。しかし、これとは別の原子間力顕微鏡を投影光学
系の中心を含むＹ軸方向にもう一つを設置して、この原
子間力顕微鏡ではＸ方向のマークを検出するようにし、
Ｘ軸上に設置してある原子間力顕微鏡１８をＹ方向のマ
ークのみを検出するような構成にしてもよい。

【００４８】また、本発明における実施例では投影光学
系を有した露光装置において説明したが、反射光学系を
持つ露光装置に関しても同様に感光基板上に露光される
露光視野の中心から所定距離だけ離れた位置に原子間力
顕微鏡１８を備えて使用することも可能である（例
１）。さらに、プロキシミティ装置においても、感光層
の段差を直接検出する必要がある場合などに、やはり感
光基板上に露光される露光視野の中心から所定距離に原
子間力顕微鏡１８を設置して使用することが可能である
（例２）。

【００４９】本実施例では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
を使用して説明した。理由は、走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）では導電物質を対象にしてしか検出できず、
ウェハのように導電性のないレジストが塗布されている
ものの観察ができないからである。逆に、不導電性の物
質の段差を観察できるならば原子間力顕微鏡に限らず使
用することができる。例えば、ニアフィールド顕微鏡な
どを使用することも可能である（例３）。

【００５０】このように、本発明は上述した実施例及び
例１〜３に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々の構成を取り得る。

【００５１】

【発明の効果】本発明の第１の露光装置では、感光層の
表面からの垂直方向の距離を一定に保つ探針を相対的に
走査することにより、アライメントマークの位置検出を
行なうようにした。このため、この露光装置は、低段差
のアライメントマーク、非対称のアライメントマークを
高精度に検出でき、高い精度で重ね合わせを行うことが
できる。光学的なアライメントマーク検出法のように干
渉の影響を受けることがなく、高精度にアライメントマ
ークの位置検出を行うことができる。

【００５２】本発明の第２の位置決め方法では、現像を
行うことなくアライメント手段の位置ずれを検出して、
位置ずれ検出を行う事ができる。これにより、アライメ
ント手段のベースライン量を補正する事ができ、正確な
位置決めを行う事ができる。現像を行なわないので、製
造工程全体のスループットが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例によるウェハアライメント
系として原子間力顕微鏡を備えたステッパーの概略的な
構成を示す平面図

【図２】 原子間力顕微鏡と位置検出系の概略的な配置
を示す平面図

【図３】 ベースライン計測等の動作の説明に供する概
略的な平面図

【図４】 基準部材のマーク配置図

【図５】 （ａ）は十字パターンの投影像がレチクルの
アライメントマークを走査する状態を示す図、（ｂ）は
十字パターンの投影像がレチクルのアライメントマーク
を走査した時に得られる光電信号の波形を表す図

【図６】 （ａ）はＬＳＡ系のスポット光が回折格子マ
ークを走査する状態を示す図、（ｂ）はＬＳＡ系のスポ
ット光が回折格子マークを走査したときに得られる光電
信号の波形を表す図

【図７】 基準部材上の格子状マークとその格子状マー
クを原子間力顕微鏡で検出した時に得られる信号を表す
図

【図８】 レジストが塗布されたウェハ上のアライメン
トマークの断面図とこのアライメントマークを原子間力
顕微鏡で検出した時に得られる信号を表す図

【図９】 本発明における第２実施例の主要部を示した
図

【図１０】 重ね合わせ誤差検出のために設けられた第
１パターンを示す図と重ね合わせ位置ずれ検出のために
設けられた第２パターンを示す図

【図１１】 （ａ）第１パターンに重ねて形成された第
２パターンの潜像の位置関係を示す図、（ｂ）第１パタ
ーンに重ねて形成された第２パターンの潜像を原子間力
顕微鏡で計測したときに得られる信号の波形を表す図

【図１２】 （ａ）第２パターンよりも大きな第１パタ
ーン上に重ねて形成された第２パターンの潜像の位置関
係を示す図、（ｂ）原子間力顕微鏡で計測したときに得
られる信号の波形を表す図

【符号の説明】

２ 照明光学系 ３ ビームスプリッター ７ 投影レンズ ９ ウェハステージ（移動ステージ） １２、１３、１４ レーザ干渉計（ステージ位置検出手
段） １５ 基準部材 １６ レーザステップアライメント系（アライメント手
段） １８ 原子間力顕微鏡（マーク検出手段） １９ 光量検出系 ２０ 主制御装置（演算装置） Ｒ レチクル Ｗ ウェハ（感光基板） Ｍｘ、Ｍｙ 移動鏡 Ｍｆ１，Ｍｆ２、Ｍｆ３ 固定鏡。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】「段差のあるアライメントマークを有する
   基板であって、表面に感光層が塗布された感光基板」を
   載置する移動ステージを備え、 マスクに形成されたパターンを前記感光基板上に露光す
   る露光装置において、 前記感光層の表面に対して垂直方向の距離を一定に保つ
   ように保持された探針を備え、該探針で前記感光層の表
   面を相対的に走査することにより、前記アライメントマ
   ークの段差に応じて変化する検出信号を出力するマーク
   検出手段と、 前記ステージの位置座標を出力するステージ位置検出手
   段と、 前記マーク検出手段の検出信号が変化した時に前記ステ
   ージ位置検出手段が出力する位置座標から、前記アライ
   メントマークのマーク位置座標を出力する出力装置を備
   え、 前記マーク位置座標に基づいて前記ステージを移動させ
   て露光を行うことを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】前記ステージ位置検出手段は前記ステージ
   の移動量に応じてサンプリングパルスを出力し、 前記出力装置を、前記マーク検出手段から出力された検
   出信号を前記ステージ位置検出手段のサンプリングパル
   スによってサンプリングし、演算処理をすることにより
   前記アライメントマークのマーク位置座標を出力する演
   算装置、に代えたことを特徴とする請求項第１項記載の
   露光装置。
3. 【請求項３】前記探針は、前記感光層の表面との原子間
   力が一定になるように走査することを特徴とする請求項
   第１項または第２項記載の露光装置。
4. 【請求項４】前記探針の相対移動量に応じてサンプリン
   グパルスを出力する探針位置検出手段をさらに備え、 前記演算装置は前記マーク検出手段から出力された検出
   信号を前記ステージ位置検出手段のサンプリングパルス
   と前記探針位置検出手段のサンプリングパルスとの両方
   によってサンプリングし、演算処理をすることにより前
   記アライメントマークのマーク位置座標を出力すること
   を特徴とする請求項第１項記載の露光装置。
5. 【請求項５】第１アライメントマークがそれぞれに形成
   された複数の処理領域を有し、表面に感光層が形成され
   た感光基板と、第２アライメントマークと基準点とを含
   むパターンを有するマスクと、前記感光基板を載置した
   移動ステージとを準備する第１工程と、 「前記ステージを移動する事によって、アライメント手
   段が複数の処理領域の内の一つの第１アライメントマー
   クを検出する事ができる第１位置へ前記感光基板を移動
   し、そこにおいて、該アライメント手段によって、該マ
   ークの位置座標を検出する動作」を順次繰り返すことに
   よって、いくつかの処理領域の第１アライメントマーク
   の位置座標を検出する第２工程と、 第２工程で検出されたいくつかの位置座標に基づいて、
   統計演算する事により、全部の処理領域の第１アライメ
   ントマークの位置座標を求める第３工程と、 少なくとも（１）前記基準点が前記感光基板上に投影さ
   れた位置である第２位置と第１位置との距離を表すベー
   スライン量と（２）第３工程で求められた所定の処理領
   域の第１アライメントマークの位置座標に基づいて、前
   記ステージを移動する事により前記感光基板を露光位置
   へ移動する第４工程と、 第２アライメントマークを露光する事により、該マーク
   の潜像を感光層に形成する第５工程と、 探針を感光層表面との原子間力が一定になるように、前
   記感光層の表面を相対的に走査する事により、第１アラ
   イメントマークと潜像の段差を検出し、それによって前
   記第１アライメントマークと前記潜像の位置ずれ量を検
   出する第６工程と、 少なくとも（１）第３工程で求めた位置座標と（２）前
   記ベースライン量と（３）第６工程で検出された位置ず
   れ量とに基づいて、前記ステージを露光位置へ移動させ
   る第７工程と、を含むことを特徴とする位置決め方法。
6. 【請求項６】請求項第５項記載の位置決め方法におい
   て、第６工程と第７工程との間に、 前記感光基板を交換する第８工程と、 「前記ステージを移動する事によって、アライメント手
   段が複数の処理領域の内の一つの第１アライメントマー
   クを検出する事ができる第１位置へ前記感光基板を移動
   し、そこにおいて、アライメント手段によって、該マー
   クの位置座標を検出する動作」を順次繰り返すことによ
   って、いくつかの処理領域の第１アライメントマークの
   位置座標を検出する第９工程と、 第９工程で検出されたいくつかの位置座標に基づいて、
   統計演算する事により、全部の処理領域の位置座標を求
   める第１０工程と、を含み、 更に、第７工程を、少なくとも（１）第１０工程で算出
   された位置座標と（２）前記ベースライン量と（３）第
   ６工程で検出された位置ずれ量とに基づいて、前記ステ
   ージを露光位置へ移動させる第７´工程、に代えたこと
   を特徴とする位置決め方法。