JPH10116769A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レチクルマークとウエハマークを同時に高精
度に検出してアライメントを行う。 【解決手段】 レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭ
を撮像する撮像手段Ｄの撮像面をアライメント系の光軸
に対してθだけ傾斜させる。撮像面を光軸に対して傾斜
させたことで、レチクルマークの一部及びウエハマーク
の一部は、各々撮像手段Ｄの撮像面上の異なる位置でベ
ストフォーカス状態となるため、画像処理手段でそのベ
ストフォーカス位置を検出し、検出されたベストフォー
カス位置で各マークを計測することにより、レチクルマ
ークとウエハマークを同時に高精度で検出することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子や液晶
表示素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程で
使用される投影露光装置に関し、特にレチクルに形成さ
れたレチクルアライメントマークと感光基板に形成され
た基板アライメントマークとを撮像、画像処理して、レ
チクルと感光基板の位置合わせを行うアライメント系を
備えた投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示素子、ＣＣＤ撮像
素子等を製造する際のフォトリソグラフィ工程では、投
影露光装置を用いて、レチクル又はフォトマスク（以
下、レチクルという）上に形成されたパターンの像を感
光剤が塗布された半導体ウエハやガラスプレート等の感
光基板上に転写露光することが行われる。一般に感光基
板上には多数層の回路パターンが形成されるため、製造
される半導体素子等の歩留りを高めるためには、感光基
板上の各ショット領域に既に形成されているパターン
と、これから転写露光するレチクルのパターン像との重
ね合わせ精度を高精度に維持する必要がある。そのため
に、感光基板上の各ショット領域に設けられている基板
アライメントマークの位置を、アライメント系により高
精度に検出している。

【０００３】アライメントの方式としては、レーザ光を
ドット列状のアライメントマークに照射し、そのアライ
メントマークから回折又は散乱された光を用いてアライ
メントマークの位置を検出するＬＳＡ（Laser Step Ali
gnment）方式、回折格子状のアライメントマークに例え
ば周波数を僅かに変えたレーザ光を２方向から照射し、
発生した２つの回折光を干渉させ、その位相からアライ
メントマークの位置を計測するＬＩＡ（Laser Interfer
ometric Alignment）方式、ハロゲンランプを光源とす
る波長帯域幅の広い光で照明して撮像したアライメント
マークの画像データを画像処理して計測するＦＩＡ（Fi
eld Image Alignment）方式等がある。

【０００４】また、アライメント方式は、投影光学系を
介して感光基板の位置を測定するＴＴＬ（スルー・ザ・
レンズ）方式、投影光学系及びレチクルを介してレチク
ルと感光基板の位置関係を測定するＴＴＲ（スルー・ザ
・レチクル）方式、及び投影光学系を介することなく直
接感光基板の位置を測定するオフ・アクシス方式に大別
される。

【０００５】アライメントマークを照明する際の照明光
（アライメント光）としては、露光光とは波長が異なり
かつ感光基板上の感光層に不感の非露光光を用いる場合
と、露光光そのものを用いる場合とがある。投影露光装
置の投影光学系は露光光に対して収差補正がなされてい
るため、非露光光に対しては収差、特に色収差が大き
い。したがって、アライメント光として非露光光を用い
る場合には色収差補正レンズが併用される。

【０００６】図７は、ＴＴＲ方式による画像処理方式の
アライメント系が組み込まれた従来の投影露光装置の概
略説明図である。図の例では、アライメント光として露
光光を用いている。図７において、投影光学系ＰＬの光
軸ＡＸに平行な方向をＺ方向、紙面内にあってＺ方向に
垂直な方向をＹ方向、紙面及びＺ方向に垂直な方向をＸ
方向とする。

【０００７】転写すべきパターンが形成されたレチクル
Ｒはレチクルステージ１６上に載置され、レジストが塗
布された感光基板（以下、ウエハという）Ｗは基板ステ
ージ上に載置されている。図示しない露光用照明光で照
明されたレチクルＲのパターンは、投影光学系ＰＬによ
ってウエハＷのショット領域に結像される。基板ステー
ジは、ウエハＷの感光層が投影光学系ＰＬのフォーカス
位置に位置づけられるようにウエハＷをＺ方向に微動さ
せるＺステージ１１、ウエハＷ表面の傾きを調整するレ
ベリングステージ、及びウエハＷをＸＹ方向にステッピ
ングさせるＸＹステージ１２からなる。主制御系１５に
よる制御のもと、ＺステージはＺステージ駆動モータ１
３により駆動され、ＸＹステージ１２はＸＹステージ駆
動モータ１４により駆動される。

【０００８】次に、アライメント系について説明する。
アライメントマーク照明用のアライメント光は光ファイ
バ１によって導入される。この照明光は露光用照明光と
ほぼ同一波長域の光であり、レンズ２、ビームスプリッ
タ３、レンズ４、及びミラー５を経て、レチクルＲ上に
設けられたレチクルアライメントマーク（以下、レチク
ルマークという）を照射する。レチクルマークからの反
射光は、上述した入射経路を逆方向に進行し、ビームス
プリッタ３、レンズ６、ミラー７を経てＣＣＤカメラ等
の２次元撮像手段８の撮像面に入射する。また、レチク
ルＲを透過したアライメント光は、さらに投影光学系Ｐ
Ｌを介してウエハＷ上に設けられた基板アライメントマ
ーク（以下、ウエハマークという）を照射する。ここ
で、ウエハＷ上には感光剤が塗布されているが、ウエハ
マークの上だけは感光剤が除去されて、ウエハマークが
露出している場合もある。ウエハマークからの反射光
も、入射経路を逆方向に進行し、投影光学系ＰＬ、ビー
ムスプリッタ３、レンズ６、ミラー７を経てＣＣＤカメ
ラ等の２次元撮像手段８の撮像面に入射する。

【０００９】撮像手段８で撮像されたレチクルＲ上のレ
チクルマークとウエハＷ上のウエハマークの画像信号は
画像処理装置９に送られ、画像処理装置９では各マーク
の画像信号からそれぞれのマークの中心位置を求め、レ
チクルＲとウエハＷの相対的なずれ量、すなわち投影光
学系６の光軸と直交するＸＹ座標系内でのずれ量が計測
される。主制御系１５では、計測されたずれ量に基づい
てＸＹステージ駆動モータ１４によってＸＹステージを
駆動することで、ウエハＷのアライメントを行う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のＴＴＲ
アライメント系においては、次のような問題があった。
露光動作中、投影光学系に対して共役関係（結像関係）
にあるのはレチクル下面のパターン面とウエハ上面の感
光層表面であり、またアライメント系に配設された撮像
手段の撮像面はレチクルのパターン面、すなわちレチク
ルマークと共役な位置に配置されている。したがって、
アライメント系においてウエハマークは感光層の膜厚分
だけデフォーカスしているため、そのままではレチクル
マークとウエハマークとの双方に、かつ同時にＴＴＲア
ライメント系のフォーカスを合わせることはできなかっ
た。

【００１１】また、ウエハには多数層の回路パターンが
形成されており、ウエハマークもウエハ表面からの深さ
が異なる複数の層に設けられている場合がある。この複
数の層に設けられたウエハマークを同時に検出すること
ができれば、各ウエハマークを用いて求められたレチク
ルとウエハのずれ量を平均化する等してアライメント精
度を向上することができる場合がある。しかし、従来の
ＴＴＲアライメント系では、１つの層のウエハマークに
アライメント系のフォーカスを合わせると、他の層に形
成されたウエハマークはデフォーカスしてしまい十分な
コントラストが得られないために、複数の層に設けられ
たアライメントマークを十分に活用することができなか
った。

【００１２】また、最近では、半導体素子の製造工程の
様々の要求により、低段差のウエハマークを用いてアラ
イメントを行うことが求められている。ウエハマークは
凹凸パターンからなり、撮像されたウエハマーク像のコ
ントラストはウエハマークの凹凸段差の高低に依存す
る。そのため、低段差のウエハマーク像はコントラスト
が低く、高精度で検出するためにはアライメント系（ア
ライメント顕微鏡）のフォーカスをウエハマークに合わ
せた状態で検出する必要がある。

【００１３】このため、従来は、ウエハマークの検出時
には基板ステージを上下してウエハマークにＴＴＲアラ
イメント顕微鏡のフォーカスを合わせて検出していた。
従来のダイ・バイ・ダイ・アライメントと露光のシーケ
ンスを、図８のフローチャートを参照して説明する。ま
ず、ステップ１０１ではウエハＷを基板ステージ上にロ
ーディングし、ウエハＷ上の１つのショット領域が投影
光学系ＰＬの光軸ＡＸの真下になるようにする。ステッ
プ１０２では、ウエハＷ上の複数個のウエハマーク位置
を検出して、直交座標系ＸＹに対するウエハＷのＸ方
向、Ｙ方向及びΘ（回転）方向の位置ずれを補正する
（ラフアライメント）。ステップ１０３では、ＴＴＲア
ライメント系（ＴＴＲ顕微鏡）をレチクルマーク上に移
動する。ステップ１０３は省略されることもある。

【００１４】ステップ１０４において、対物レンズ４に
よりＴＴＲ顕微鏡をレチクルマークに合焦させ、レチク
ルマークを撮像手段８で検出する。この状態ではウエハ
マークはデフォーカスしているから、次のステップ１０
５において、Ｚステージ１１をＺ方向に移動させてＴＴ
Ｒ顕微鏡をウエハマークに合焦させる。ステップ１０６
では、アライメント光学系の主光線の傾きを調節（テレ
セン調節と呼ぶ）する。つまり、投影光学系ＰＬのウエ
ハ側においてレチクルパターン照明用の露光光の主光線
とＴＴＲアライメント光学系の主光線とをほぼ一致させ
る。

【００１５】次に、ステップ１０７において、レチクル
マークとウエハマークのＸ方向及びＹ方向の中心位置の
ずれ量を検出し、主制御系１５は、両マークの中心位置
が一致するようにＸＹステージ１２を駆動モータ１４で
駆動してアライメントを行う。このとき、ステップ１０
５でＺステージ１１を上げてアライメント顕微鏡をウエ
ハマークに合焦させたため、レチクルパターンの投影像
とウエハＷ上の感光層の表面とはＺ方向にずれが生じて
いる。アライメント終了後のステップ１０８では、ウエ
ハＷ上の感光層表面が投影光学系ＰＬの結像面と一致す
るようにＺステージ１１をＺ方向に下げて露光位置に戻
す。その後、ステップ１０９でレチクルのパターンをウ
エハＷのショット領域に露光する。

【００１６】露光終了後のステップ１１０では、投影光
学系ＰＬの光軸が次のショット領域に対向するようにＸ
Ｙステージ１２をＸ及びＹ方向にステップ移動させる。
ステップ１１１では、上述と同様に、ウエハが載置され
たＺステージ１１をＺ軸方向に上げてウエハマークをア
ライメント系の撮像手段８上に結像させる。その後、ス
テップ１０７〜ステップ１０９を実行して次のショット
領域の露光が行われる。このような動作を繰り返すこと
により、ウエハＷ上のすべてのショット領域の露光が順
次実行される。

【００１７】この従来の露光シーケンスは、ウエハマー
クの検出の度にＺステージを上げてウエハマークにＴＴ
Ｒ顕微鏡を合焦させ（Ｓ１１１）、アライメント終了後
にＺステージを露光位置に戻す操作（Ｓ１０８）が必要
となるためスループットが低下する問題があった。

【００１８】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたもので、ウエハステージを上下することな
くレチクルマークとウエハマークを高精度に検出してア
ライメントを行うことのできるアライメント系を備えた
投影露光装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、レチ
クルアライメントマーク（レチクルマーク）と基板アラ
イメントマーク（ウエハマーク）を撮像する撮像手段の
撮像面をアライメント系の光軸に対して傾斜させ、撮像
手段の信号を処理する画像処理手段にベストフォーカス
位置検出機能を付加することにより前記目的を達成す
る。撮像手段の撮像面をアライメント系の光軸に対して
傾斜させると、撮像面が光軸方向にある一定の範囲をカ
バーすることになり、レチクルマークの一部及びウエハ
マークの一部を各々撮像面の異なる部分に対して共役の
関係にすることができる。レチクルマークの一部及びウ
エハマークの一部は、各々撮像手段の撮像面上の異なる
位置でベストフォーカス状態となるため、画像処理手段
でそのベストフォーカス位置を検出し、検出されたベス
トフォーカス位置で各マークを計測することにより、基
板ステージを上下動させることなくレチクルアライメン
トマークと基板アライメントマークを同時に高精度で検
出することができる。

【００２０】すなわち、本発明は、レチクルに形成され
たパターンを感光基板上に投影する投影光学系と、レチ
クルに形成されたレチクルアライメントマークと感光基
板に形成された基板アライメントマークを同時に観察し
てレチクルと感光基板の位置合わせを行うアライメント
系とを含む投影露光装置において、アライメント系は撮
像面を該アライメント系の光軸に対して傾斜して配置さ
れた撮像手段と、撮像手段に接続された画像処理手段と
を備え、画像処理手段は基板アライメントマークのベス
トフォーカス位置を検出し、検出されたベストフォーカ
ス位置において基板アライメントマークの検出を行うこ
とを特徴とする。撮像面を傾斜させる方向は非計測方向
とする。

【００２１】画像処理手段は、レチクルアライメントマ
ークのベストフォーカス位置と基板アライメントマーク
のベストフォーカス位置を両方検出し、検出された各ベ
ストフォーカス位置において各アライメントマークの計
測を行うように構成することができる。また、レチクル
アライメントマークのベストフォーカス位置が撮像装置
の撮像面の所定の位置にくるようにアライメント系が設
定されていて、レチクルアライメントマークのベストフ
ォーカス位置が予め分かっているような場合には、レチ
クルアライメントマークはその予め分かっているベスト
フォーカス位置で計測し、基板アライメントマークのみ
ベストフォーカス位置を検出して検出されたベストフォ
ーカス位置で計測するようにしてもよい。

【００２２】レチクルのパターン面に形成されたレチク
ルアライメントマークは、投影光学系に対して、感光基
板上に塗布された感光層の表面とは共役関係にあるが、
感光基板の層毎に存在して段差をなす基板アライメント
マークとは共役関係にない。

【００２３】本発明によると、レチクルアライメントマ
ークと基板アライメントマークを撮像手段の撮像面に結
像させる際、その撮像面が光軸に対して非計測方向、す
なわちアライメントマークの計測方向と直交する方向に
傾斜しているので、両アライメントマークは撮像面内の
別々の箇所にベストフォーカス位置を有する。このベス
トフォーカス位置で各アライメントマークを計測し、得
られる画像信号を波形処理すれば各アライメントマーク
のエッジの位置を求めることができる。すなわち画像信
号はマークの有無（マークとマークの下地とのコントラ
ストの違い）に応じた信号強度の位置に関する変化とし
て得られるから、この信号波形を微分することによって
マークのエッジ位置を求めることができる。つまり、マ
ークの断面を考えたとき、エッジが右上がりか右下がり
かの情報を画像信号の微分値（微分信号）から得ること
ができる。一般にマークのエッジは、マークの形成時の
影響やデフォーカス状態によってそれぞれプロファイル
（マーク断面におけるエッジの急峻度）が僅かずつ異な
る。ベストフォーカス位置ではこのエッジのプロファイ
ルが急峻であることから微分信号の極値が大きくなり、
正確なマークの位置検出を行うことができる。

【００２４】従来、感光基板の各層に設けられた基板ア
ライメントマークのエッジのプロファイルは層間の光路
差があるためにデフォーカスし、緩慢であったり信号が
弱いといった問題があったが、本発明によると各層に設
けられた基板アライメントマークを各々ベストフォーカ
ス状態で同時に高精度に計測することが可能となる。ま
た近年、高集積度、高解像度の半導体素子の製造におい
ては、感光層が使用される露光光の波長程度に薄くな
り、低段差の基板アライメントマークが使用されるた
め、ウエハマークのコントラストを高めて高精度なアラ
イメント計測を行うためにはベストフォーカス状態でウ
エハマークを計測することが必要となるが、本発明はこ
のような要請にも応えることができるものである。

【００２５】また、アライメント系の光軸に対する撮像
面の傾斜角を可変できるようにすると、基板アライメン
トマークの深さ位置が異なる種々の感光基板に対応する
ことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明によるＴＴ
Ｒアライメント系を有する投影露光装置の一例の概略的
な構成を示す図である。図１において、投影光学系ＰＬ
の光軸ＡＸに平行な方向をＺ方向、紙面内にあってＺ方
向に垂直な方向をＹ方向、紙面及びＺ方向に垂直な方向
をＸ方向とする。

【００２７】ウエハＷは不図示のレベリングステージ上
に載置され、このレベリングステージは、駆動モータ１
３により投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ方向）に微動可
能なＺステージ１１上に設置されている。Ｚステージ１
１は、駆動モータ１３によりステップ・アンド・リピー
ト方式で２次元方向（ＸＹ方向）に移動可能なＸＹステ
ージ１２上に載置されている。レチクルＲは水平面内で
２次元移動可能なレチクルステージ１６上に載置されて
いる。露光光源３１からの露光光は、フライアイ照明光
学系３２、ハーフミラー３３、対物レンズ３４を介して
レチクルＲに形成されたパターンを均一に照明し、レチ
クルＲのパターン像は投影光学系ＰＬによってウエハＷ
上のショット領域に露光転写される。

【００２８】ＸＹステージ１２は、ウエハＷ上の一つの
ショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光
が終了すると、ウエハＷ上の次のショット領域が投影光
学系ＰＬの露光領域と一致するようにステッピング移動
される。ウエハＷが載置されたレベリングステージの２
次元的な位置はレベリングステージに固定された移動鏡
１７との距離をレーザ干渉計１８で計測することによっ
て、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時モニターさ
れており、レーザ干渉計１８の出力は主制御系１５に供
給されている。

【００２９】レチクルＲはレチクルステージ１６上で、
レチクルＲ上の転写パターンの中心が投影光学系ＰＬの
光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。レチクルＲ
の位置決めは、レチクルＲの外周付近に設けられた複数
のレチクルアライメントマーク（レチクルマーク）を用
いて行われる。レチクルマークは、Ｘ方向の位置決めを
行うためのレチクルマークと、Ｙ方向の位置決めを行う
ためのレチクルマークの２種類のものが設けられてい
る。ＴＴＲアライメント系３０は、露光光源３１から露
光光の一部を分岐して取り出した露光光を照明光（アラ
イメント光）として使用する。ＴＴＲアライメント系は
図１には１つしか図示していないが、各レチクルアライ
メントマークの位置に１つずつ設けられている。

【００３０】フライアイ照明光学系３２、ハーフミラー
３３、及び対物レンズ３４を通った照明光は、レチクル
Ｒのパターン領域の外側に設けられたレチクルマークに
入射する。レチクルマークは、例えばパターン周囲の不
透明部に形成された矩形の透明窓からなる。レチクルマ
ーク部で反射されたアライメント光は、対物レンズ３
４、ハーフミラー３３、ミラー３５、拡大レンズ３６を
通って、ＣＣＤカメラ等からなる２次元撮像手段３７に
入射する。２次元撮像手段３７は、拡大レンズ３６の結
像面付近に光軸ＡＸに対して非計測方向へ一定の角度θ
にて配置されている。

【００３１】一方、レチクルマークを透過したアライメ
ント光は、投影光学系ＰＬを通ってウエハＷ上の各ショ
ット領域の周囲に設けられた基板アライメントマーク
（ウエハマーク）上に入射する。ウエハマークもレチク
ルマークに対応してＸ方向の位置決めを行うためのウエ
ハマークと、Ｙ方向の位置決めを行うためのウエハマー
クの２種類のものが設けられている。ウエハマークから
の反射光は、入射光と逆の経路を辿り、レチクルマーク
部を通過し、さらに、対物レンズ３４、ハーフミラー３
３、ミラー３５、及び拡大レンズ３６を通って２次元撮
像手段３７に入射する。

【００３２】図２は、ウエハＷ上のショット領域に付随
して設けられたウエハマークの配列の一例を説明する図
である。図２（ａ）は１つのショット領域とその周囲に
設けられたウエハマークの平面図であり、図２（ｂ）は
そのＡ−Ａ断面図である。ショット領域４５にはすでに
複数のパターン層４６，４７，４８が形成されており、
その上に感光層Ｆを塗布して次のパターン露光が行われ
る。各ショット領域４５には、Ｘ方向の位置決めを行う
ためのウエハマーク４２ＸＡ，４２ＸＢ，４２ＸＣと、
Ｙ方向の位置決めを行うためのウエハマーク４２ＹＡ，
４２ＹＢ，４２ＹＣが設けられている。この例の各ウエ
ハマークはライン・アンド・スペースパターンからな
る。ショット領域４５のＸ方向のアライメントは、例え
ば最上層のパターン層４８に形成されたウエハマーク４
２ＸＣの中心位置Ｘ３の情報を用いて実施することがで
きる。

【００３３】また、感光層Ｆがアライメント用の光に対
してほぼ透明である場合、皮膜４６，４７，４８が透明
であれば、最上層のウエハマーク４２ＸＣだけでなく、
下層のウエハマーク４２ＸＢ，４２ＸＡも図１のアライ
メント系３０の２次元撮像手段３７により直接に観察す
ることができる。したがって、何かの原因により最上層
のウエハマーク４２ＸＣを使用することができない場
合、その下層のウエハマーク４２ＸＢの中心位置Ｘ２、
あるいは更に下層のウエハマーク４２ＸＡの中心位置Ｘ
１の情報を用いてアライメントを行うことができる。さ
らに、複数のウエハトマーク、例えば２つのウエハマー
ク４２ＸＢ，４２ＸＣを使用し、各ウエハマークの中心
位置Ｘ２，Ｘ３を用いて求められるアライメント誤差を
平均化することで高精度のアライメントを行うこともで
きる。

【００３４】２次元撮像手段３７からの出力信号は、増
幅器５０で増幅されて画像処理手段５１に入力される。
画像処理手段５１は、フォーカス検出部５２とマーク位
置検出部５３をソフトウエアあるいはハードウエアによ
って機能的に実現するものであり、フォーカス検出部５
２でベストフォーカス位置を検出し、マーク位置検出部
５３はそのベストフォーカス位置においてマークの中心
位置を検出する。レチクルマークとウエハマークの中心
位置のずれ量の情報は主制御系１５に送られ、ＸＹステ
ージ駆動モータ１４の制御の下にＸＹステージ１２を駆
動してアライメントを行う。

【００３５】次に、撮像手段３７によって撮像された画
像から画像処理手段５１でベストフォーカス位置を検出
する方法について以下に説明する。図３（ａ）は、図１
に示した露光光学系及びアライメント光学系を模擬的に
示した図である。ウエハＷにはライン・アンド・スペー
スパターンからなるウエハマークＷＭが形成され、その
上に感光層Ｆが塗布されている。レチクルＲの下面に
は、パターン周囲の不透明部に設けられた矩形の透明窓
からなるレチクルマークＲＭが形成されている。ただ
し、図３（ａ）では、ウエハマークＷＭの断面を図示す
るためウエハを光軸の回りに９０°回転して図示してあ
る。レチクルマークＲＭで反射されたアライメント光は
対物レンズＭＬを通って２次元撮像手段Ｄに入射し、ウ
エハマークＷＭで反射されたアライメント光は投影光学
系ＰＬ、レチクルマークＲＭ、及び対物レンズＭＬを通
って２次元撮像手段Ｄに入射する。

【００３６】ここで、投影光学系ＰＬに対してレチクル
Ｒの下面に形成されたパターン（不図示）と感光層Ｆの
表面Ｆａとは共役関係にある。従って、同じレチクルＲ
の下面に形成さているレチクルマークＲＭも感光層Ｆの
表面Ｆａとは共役関係にある。レチクルマークＲＭは対
物レンズＭＬによって２次元撮像手段Ｄ上のＡ位置にベ
ストフォーカスがある。一方、ウエハＷ上で感光層Ｆの
厚みの分だけ低くなったウエハマークＷＭは、２次元撮
像手段Ｄ上のＢ位置にベストフォーカスがある。例とし
て、投影光学系ＰＬと対物レンズＭＬの合成倍率を５０
倍、ウエハＷに塗布された感光層Ｆの表面Ｆａとウエハ
マークＷＭとの段差をΔｚ＝３μｍとすれば、２次元撮
像手段Ｄ上でのウエハマークＷＭの像ＩＷとレチクルマ
ークＲＭの像ＩＲ間のおおよそのフォーカスのずれはΔ
ｆ＝７．５ｍｍである。

【００３７】図３（ｂ）は、２次元撮像手段Ｄ上に形成
されたレチクルマークＲＭの像ＩＲとウエハマークＷＭ
の像ＩＷのフォーカス状態を概念的に示すものである。
矩形窓からなるレチクルマークＲＭの像ＩＲは、ベスト
フォーカスがある直線Ａ上でコントラストが最大であ
り、他の位置では低コントラストのぼけた像となってい
る。一方、ライン・アンド・スペースパターンからなる
ウエハマークＷＭの像ＩＷは、ベストフォーカスがある
直線Ｂ上でコントラストが最大となり、他の位置ではコ
ントラストが低下している。

【００３８】光軸に対して傾斜して配置された２次元撮
像手段Ｄ上の各マーク像のベストフォーカス位置Ａ及び
Ｂは、光学的計算あるいは画像処理により求めることが
できる。光学的計算による方法は、ウエハマークＷＭ上
に塗布された感光層Ｆの厚み、及び投影光学系ＰＬと対
物レンズＭＬの合成倍率から前記のようにフォーカスの
ずれΔｆを求め、フォーカスのずれΔｆと光軸に対する
２次元撮像手段Ｄの傾斜角θとからベストフォーカス位
置を計算する方法である。

【００３９】図４は、画像処理手段５１のフォーカス検
出部５２によってベストフォーカス位置を求める方法の
説明図である。この方法は、図４（ａ）に示すように、
アライメントマークの画像を非計測方向に位置をずらし
ながら計測方向に走査する複数の走査線により得られる
信号波形を比較し、もっとも急峻なエッジ信号をもつ走
査線の位置をベストフォーカスとする方法である。

【００４０】まずウエハマークＷＭの検出について説明
すると、ベストフォーカス位置ではウエハマーク像のコ
ントラストが高いため、ベストフォーカス位置でウエハ
マークＷＭを走査した走査線Ｂからは、図４（ｂ）に示
すようなエッジの急峻な信号波形が得られる。これに対
して、ベストフォーカス以外の位置でウエハマークＷＭ
を走査した走査線からは例えば図４（ｃ）に示すように
エッジが鈍った信号波形が得られる。同様に、レチクル
マークＲＭをそのベストフォーカス位置で走査した走査
線Ａからは、図４（ｄ）に示すようなエッジの急峻な信
号波形が得られ、それ以外の走査線からは例えば図４
（ｅ）に示すようなエッジの鈍った信号波形が得られ
る。これらの信号波形を比較することによりフォーカス
検出部５２は、ウエハマークＷＭ及びレチクルマークＲ
Ｍそれぞれのベストフォーカス位置を検出する。

【００４１】ウエハマークＷＭとレチクルマークＲＭの
ベストフォーカス位置が検出されると、信号処理手段５
１のマーク位置検出部５３はそれぞれのベストフォーカ
ス位置においてウエハマークＷＭの画像信号とレチクル
マークＲＭの画像信号を取り込む。すなわち、ウエハマ
ークをベストフォーカス位置で走査して得られた図４
（ｂ）の信号波形からウエハマークＷＭの画像信号Ｂ
と、レチクルマークＲＭをベストフォーカス位置で走査
して得られた図４（ｄ）の信号波形からレチクルマーク
の画像信号Ｄ１，Ｄ２を取り込み、それを例えば図４
（ｆ）に示すように合成してレチクルマークＲＭ及びウ
エハマークＷＭのそれぞれの中心位置を求め、レチクル
マークＲＭの中心位置に対するウエハマークＷＭの中心
位置のずれ量Δを求める。そのずれ量Δに基づいてＸＹ
ステージ１２を駆動し、ウエハＷ上のショット領域のア
ライメントを行うことにより所望の重ね合わせを高精度
に行うことができる。

【００４２】また、２次元撮像手段Ｄの光軸に対する傾
斜角θをモータ等を用いた可変機構によって変えること
により、高段差から低段差まで任意の段差のウエハマー
クＷＭに対応することができる。傾斜角θは、感光層Ｆ
の膜厚Δｚについての情報、ウエハマークＷＭの深さ等
の情報に基づいて、必要なアライメントマークのベスト
フォーカスが全て２次元撮像手段Ｄ上で得られるように
設定する。また、ここではアライメント光として露光光
を用いる場合について説明したが、本発明は収差補正レ
ンズを用いて非露光光でアライメントを行うアライメン
ト系を備えた投影露光装置にも適用し得るものである。

【００４３】次に、図５を参照して投影露光装置でのダ
イ・バイ・ダイ・アライメントによる露光シーケンスを
説明する。ステップ１ではウエハＷを基板ステージ上に
ローディングし、ウエハＷ上の１つのショット領域が投
影光学系ＰＬの光軸ＡＸの真下にくるようにする。ステ
ップ２では、ウエハＷ上の複数個のウエハマーク位置を
検出して、２組の干渉計によって規定されるＸＹ直交座
標系に対するウエハのＸ方向、Ｙ方向及びΘ（回転）方
向の位置ずれを補正する（ラフアライメント）。次に、
ステップ３でＴＴＲアライメント系（ＴＴＲ顕微鏡）３
０をレチクルマーク上に移動する。ＴＴＲ顕微鏡を移動
するのは、エッチング処理等のプロセスによるウエハ
マークの破壊等によってウエハマークの打ち替えが必要
となり、レチクル上でのレチククマークの位置が変更さ
れること、レチクルサイズの変更等のためである。ウ
エハマークの打ち替えやレチクルサイズの変更がない場
合には、このステップ３は省略される。

【００４４】ステップ４において、対物レンズ３４によ
りレチクルマークＲＭに合焦させる。ここでＴＴＲアラ
イメント系においてレチクルマークＲＭに対する合焦動
作が必要となるのは、レチクル毎に厚さが異なり得るか
らである。ステップ５では、アライメント系３０の主光
線の傾きを調節（テレセン調節と呼ぶ）する。つまり、
投影光学系ＰＬのウエハＷ側においてレチクルパターン
照明用の露光光の主光線とＴＴＲアライメント系３０の
主光線とをほぼ一致させる。ここまでのステップにより
ＴＴＲアライメント系３０はレチクルマークＲＭに合
焦、すなわちレチクルマークＲＭが２次元撮像手段３７
の撮像面と光学的に共役関係となり、かつＴＴＲアライ
メント系３０のテレセントリック調整も終了している。

【００４５】続くステップ６では、画像処理手段５１の
フォーカス検出部５２でレチクルマークＲＭのベストフ
ォーカス位置とウエハマークＷＭのベストフォーカス位
置を各々検出する。続いてステップ７において、マーク
位置検出部５３はステップ６で検出されたベストフォー
カス位置においてレチクルマークとウエハマークの中心
位置のずれ量を検出し、主制御系１５は両マークの中心
位置が一致するようにＸＹステージ１２を駆動モータ１
４で駆動し、これによりアライメントが行われる。アラ
イメントが終了すると、ステップ８でそのショット領域
に対する露光が行われる。露光終了後のステップ９で
は、投影光学系ＰＬの光軸が次のショット領域に対向す
るようにＸＹステージ１２をＸ及びＹ方向にステップ移
動させる。その後、ステップ６〜ステップ９を反復実行
することで、ウエハ上のすべてのショット領域の露光が
順次実行される。

【００４６】図５と図８を比較すると明らかなように、
本発明によるアライメントと露光のシーケンスでは、従
来ショット毎に繰り返していたＺステージの上げ下げの
工程（Ｓ１０５，Ｓ１０８，Ｓ１１１）が不要となるた
め、工程が短縮されスループットが向上する。

【００４７】図６は、本発明による投影露光装置の他の
例の概略的な構成を示す図である。図６において図１と
異なるのはアライメント系のみであり、アライメント系
以外の機能部分には図１と同じ符号を付し、その詳細な
説明を省略する。この例のアライメント系６０は、拡大
レンズ３６に代えて反射ミラー６１，６２によって拡大
光学系を構成し、同時に２次元撮像手段３７の撮像面に
対する入射光軸を傾斜させたものである。本例の投影露
光装置においても、前述の投影露光装置と同様の効果を
奏することができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、レチクル上に形成され
たパターンを既にウエハ上に形成されている複数層のパ
ターンに重ね合わせ露光をするとき、レチクルマークと
ウエハ上に段差をなしている各ウエハマークを各々のベ
ストフォーカス位置でかつ同時に計測することができ、
デフォーカスしたマーク検出信号を用いる必要がないた
め、アライメントマークの位置決め精度及び重ね合わせ
精度を向上させることができる。

【００４９】また、従来のようにアライメント光学系の
合焦用対物レンズを移動させたり基板ステージ上のＺス
テージを光軸方向に移動させたりしてウエハマーク毎に
位置合わせをする必要もないため、ダイ・バイ・ダイ・
アライメントにおいてスループットを向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一例を示す概略
図。

【図２】（ａ）はウエハ上のショット領域とウエハマー
クの配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿
う要部断面図。

【図３】（ａ）は露光光学系及びアライメント光学系の
模擬図、（ｂ）は２次元撮像手段上に形成されたレチク
ルマークの像とウエハマークの像のフォーカス状態を示
す概念図。

【図４】画像処理手段の機能を説明する図であり、
（ａ）はマークの像上を走査する走査線の説明図、
（ｂ）はベストフォーカス位置でウエハマークを走査し
た走査線から得られた信号波形、（ｃ）はベストフォー
カス以外の位置でウエハマークを走査した走査線から得
られた信号波形、（ｄ）はレチクルマークベストフォー
カス位置で走査した走査線から得られた信号波形、
（ｅ）はベストフォーカス以外の位置でレチクルマーク
を走査した走査線から得られた信号波形、（ｆ）はレチ
クルマークとウエハマークに検出信号から両マークのず
れ量を求める操作を説明する図。

【図５】本発明の投影露光装置によるアライメントと露
光シ−ケンスを示すフローチャート。

【図６】本発明による投影露光装置の他の例を示す概略
図。

【図７】従来のＴＴＲアライメント系を備える投影露光
装置の概略図。

【図８】従来の投影露光装置によるアライメントと露光
シ−ケンスを示すフローチャート。

【符号の説明】

１１…Ｚステージ、１２…ＸＹステージ、１５…主制御
系、１６…レチクルステージ、３０…ＴＴＲアライメン
ト系、３１…露光光源、３２…フライアイ照明光学系、
３３…ハーフミラー、３４…対物レンズ、３６…拡大レ
ンズ、３７…撮像手段、５１…画像処理装置、５２…フ
ォーカス検出部、５３…マーク位置検出部、６１，６２
…反射ミラー、Ｗ…ウエハ、Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影
光学系、ＡＸ…光軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レチクルに形成されたパターンを感光基
   板上に投影する投影光学系と、前記レチクルに形成され
   たレチクルアライメントマークと前記感光基板に形成さ
   れた基板アライメントマークを同時に観察して前記レチ
   クルと前記感光基板の位置合わせを行うアライメント系
   とを含む投影露光装置において、 前記アライメント系は、撮像面を該アライメント系の光
   軸に対して傾斜して配置された撮像手段と前記撮像手段
   に接続された画像処理手段とを備え、前記画像処理手段
   は、前記基板アライメントマークのベストフォーカス位
   置を検出し、検出されたベストフォーカス位置において
   基板アライメントマークの検出を行うことを特徴とする
   投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記画像処理手段は前記レチクルアライ
   メントマーク及び前記基板アライメントマークのベスト
   フォーカス位置を検出し、検出された各ベストフォーカ
   ス位置において各アライメントマークの検出を行うこと
   を特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記アライメント系の光軸に対する前記
   撮像面の傾斜角を可変する手段を備えることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の投影露光装置。