JPH10242036A

JPH10242036A - エッジ散乱光を用いた位置検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH10242036A
Application number: JP9046526A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Miyatake; 勤宮武
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】スループットを落とすことなく、露光中も位
置検出が可能な高精度なアライメントを行うことができ
る位置検出方法及び装置を提供する。【解決手段】入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点
を有するアライメントマークが露光面上に形成された被
露光体と、入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点を有
するマスクマークが表面上に形成された露光マスクと
を、露光面が露光マスクに対向するように間隙を挟んで
配置する。アライメントマーク及びマスクマークのエッ
ジ若しくは頂点に照明光を照射し、アライメントマーク
からの散乱光とマスクマークからの散乱光を結像面に結
像させる。結像面内の像を観測して被露光体と露光マス
クとの相対位置を検出する。このとき、アライメントマ
ークからの散乱光による像の光強度とマスクマークから
の散乱光による像の光強度が相互に近づくように、２つ
の散乱光を異なる量だけ減衰させて結像面に結像させ
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、エッジ散乱光を用
いた位置検出方法及び装置に関し、特に、近接露光のス
ループット向上に適した位置検出方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レンズ系と画像処理系とを組み合わせた
アライメント装置を用いてウエハとマスクの位置合わせ
を行う方法として、垂直検出法と斜方検出法が知られて
いる。垂直検出法は、位置合わせ用マークをマスク面に
垂直な方向から観測する方法であり、斜方検出法は、斜
めから観測する方法である。

【０００３】垂直検出法で用いられる合焦方法として、
色収差二重焦点法が知られている。色収差二重焦点法
は、マスクに形成されたマスクマークとウエハに形成さ
れたウエハマークとを異なる波長の光で観測し、レンズ
系の色収差を利用して同一平面に結像させる方法であ
る。色収差二重焦点法は、原理的にレンズの光学的な分
解能を高く設定できるため、絶対的な位置検出精度を高
めることができる。

【０００４】一方、マスクマークとウエハマークとを垂
直方向から観測するために、観測のための光学系が露光
領域に入り込む。このままで露光すると、光学系が露光
光を遮ることになるため、露光時には光学系を露光領域
から退避させる必要がある。退避させるための移動時間
が必要になるため、スループットが低下する。また、露
光時にマスクマークとウエハマークとを観測できないた
め位置検出ができなくなる。これは、露光中のアライメ
ント精度低下の原因になる。

【０００５】斜方検出法は、光軸がマスク面に対して斜
めになるように光学系を配置するため、露光光を遮らな
いように配置することができる。このため、露光中に光
学系を退避させる必要がなく、露光中でもマスクマーク
とウエハマークとを観測することができる。従って、ス
ループットを低下させることなく、かつ露光中の位置ず
れを防止することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】斜方検出法は、ウエハ
マークとマスクマークを斜方から観測して結像させるた
め、像歪により位置検出の絶対精度が低下する。また、
照明光の光軸と観測光の光軸が一致していないため、照
明光の光軸を観測光の光軸と同軸に配置することができ
ない。従って、照明光軸が理想的な光軸からずれ易くな
る。照明光軸が理想的な光軸からずれると、像が変化し
正確な位置検出を行うことが困難になる。

【０００７】本発明の目的は、スループットを落とすこ
となく、露光中も位置検出が可能な高精度なアライメン
トを行うことができる位置検出方法及び装置を提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点を有するア
ライメントマークが露光面上に形成された被露光体と、
入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点を有するマスク
マークが表面上に形成された露光マスクとを、前記露光
面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置
する工程と、前記アライメントマーク及びマスクマーク
の前記エッジ若しくは頂点に照明光を照射し、前記アラ
イメントマークからの散乱光と前記マスクマークからの
散乱光を結像面に結像させ、結像面内の像を観測して前
記被露光体と前記露光マスクとの相対位置を検出する工
程であって、前記アライメントマークからの散乱光によ
る像の光強度と前記マスクマークからの散乱光による像
の光強度が相互に近づくように、一方の散乱光を減衰さ
せ、または２つの散乱光を異なる量だけ減衰させて前記
結像面に結像させる前記相対位置を検出する工程とを含
む位置検出方法が提供される。

【０００９】アライメントマーク及びマスクマークに入
射光を散乱させるエッジ若しくは頂点を設けておくと、
散乱光のうち観測光学系の対物レンズの開口内にある光
束によって像ができるため、このエッジ散乱光を観測す
ることができる。また、アライメントマーク及びマスク
マークからの正反射光が観測光学系に入射せず、エッジ
からの散乱光のみが入射するような方向から照明光を照
射しても、エッジ散乱光を観測することができる。

【００１０】散乱光を斜方から観測するため、露光範囲
内に光学系を配置する必要がない。このため、露光時に
観測光学系を退避させる必要がなく、露光中も常時位置
検出を行うことができる。アライメントマーク及びマス
クマークからの散乱光の強度が近づくため、結像面に現
れた像に対応した画像信号を得る場合に、Ｓ／Ｎ比の高
い信号を得ることが可能になる。

【００１１】本発明の他の観点によると、露光面を有す
る被露光体と、該被露光体の露光面に平行にかつある間
隔を隔てて保持されたマスクとに照明光を照射する照明
光学系と、前記被露光体の露光面に対して斜めの光軸を
有し、前記被露光体及びマスクから散乱された光を結像
面に結像させる観測光学系であって、該観測光学系が前
記結像面の直前に配置された光学フィルタを含み、該光
学フィルタの光透過率が、前記被露光体からの散乱光の
結像位置に対応する領域と前記マスクからの散乱光の結
像位置に対応する領域とにおいて、相互に異なる前記観
測光学系とを有する位置検出装置が提供される。

【００１２】光学フィルタの２つの領域の透過率を適切
に選択しておくことにより、アライメントマーク及びマ
スクマークからの散乱光による結像面上の像の光強度を
近づけることができる。このため、結像面に現れた像に
対応した画像信号を得る場合に、Ｓ／Ｎ比の高い信号を
得ることが可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例による位
置検出装置の概略断面図を示す。実施例による位置検出
装置はウエハ／マスク保持部１０、光学系２０、及び制
御装置３０を含んで構成されている。

【００１４】ウエハ／マスク保持部１０は、ウエハ保持
台１５、マスク保持台１６、及び駆動機構１７から構成
されている。位置合わせ時には、ウエハ保持台１５の上
面にウエハ１１を保持し、マスク保持台１６の下面にマ
スク１２を保持する。ウエハ１１とマスク１２とは、ウ
エハ１１の露光面とマスク１２のウエハ側の面（マスク
面）との間に一定の間隙が形成されるように平行に配置
される。ウエハ１１の露光面には、位置合わせ用のウエ
ハマーク１３が形成され、マスク１２のマスク面には位
置合わせ用のマスクマーク１４が形成されている。

【００１５】マスクマーク１３及びウエハマーク１４
は、入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点を有する。
これらのマークに光が入射すると、エッジ若しくは頂点
に当たった入射光は散乱し、その他の領域に当たった入
射光は正反射する。ここで、正反射とは、入射光のうち
ほとんどの成分が、同一の反射方向に反射するような態
様の反射をいう。

【００１６】駆動機構１７は、ウエハ保持台１５及びマ
スク保持台１６を相対的に移動させることができる。図
の左から右にＸ軸、紙面に垂直な方向に表面から裏面に
向かってＹ軸、露光面の法線方向にＺ軸をとると、ウエ
ハ１１とマスク１２は相対的に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、
Ｚ軸方向、Ｚ軸の回りの回転方向（θ_Z方向）、Ｘ軸及
びＹ軸の回りの回転（あおり）方向（θ_X及びθ_Y方
向）に移動可能である。

【００１７】光学系２０は、像検出装置２１、レンズ２
２、ハーフミラー２３、光源２４、及び光学フィルタ２
６を含んで構成される。光学系２０の光軸２５は、ＸＺ
面に平行であり、かつ露光面に対して斜めになるように
配置されている。なお、図１では１枚のレンズのみを表
しているが、複数のレンズで構成してもよく、必要に応
じて適宜リレーレンズを配置してもよい。

【００１８】光源２４から放射された照明光はハーフミ
ラー２３で反射して光軸２５に沿った光線束とされ、レ
ンズ２２を通して露光面に斜入射される。光源２４はレ
ンズ２２の像側の焦点に配置されており、光源２４から
放射された照明光はレンズ２２でコリメートされて平行
光線束になる。なお、光源２４は、照射光の強度を調整
することができる。

【００１９】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４の
エッジ若しくは頂点で散乱された散乱光のうちレンズ２
２に入射する光は、レンズ２２で収束され、光学フィル
タ２６を通って像検出装置２１の結像面２１ａ上に結像
する。このように、光学系２０による照明はテレセン照
明とされ、照明光軸と観測光軸は同一光軸とされてい
る。

【００２０】像検出装置２１は、結像面２１ａ上に結像
したウエハマーク１３及びマスクマーク１４からの散乱
光による像を光電変換し画像信号を得る。画像信号は制
御装置３０に入力される。

【００２１】制御装置３０は、像検出装置２１から入力
された画像信号を処理して、ウエハマーク１３とマスク
マーク１４の相対位置を検出する。さらに、ウエハマー
ク１３とマスクマーク１４が所定の相対位置関係になる
ように、駆動機構１７に対して制御信号を送出する。駆
動機構１７は、この制御信号に基づいてマスク保持台１
６を移動させる。

【００２２】図２（Ａ）は、ウエハマーク１３及びマス
クマーク１４の相対位置関係を示す平面図である。長方
形パターンをＹ軸方向に３個、Ｘ軸方向に１４個、行列
状に配列して各ウエハマーク１３Ａ及び１３Ｂが形成さ
れている。同様の長方形パターンをＹ軸方向に３個、Ｘ
軸方向に５個、行列状に配置して１つのマスクマーク１
４が形成されている。位置合わせが完了した状態では、
マスクマーク１４は、Ｙ軸方向に関してウエハマーク１
３Ａと１３Ｂとのほぼ中央に配置される。

【００２３】ウエハマーク１３Ａ、１３Ｂ、及びマスク
マーク１４の各長方形パターンの長辺はＸ軸と平行にさ
れ、短辺はＹ軸と平行にされている。各長方形パターン
の長辺の長さは２μｍ、短辺の長さは１μｍであり、各
マーク内における長方形パターンのＸ軸及びＹ軸方向の
配列ピッチは４μｍである。ウエハマーク１３Ａと１３
Ｂとの中心間距離は、５６μｍである。

【００２４】図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の一点鎖線Ｂ２
−Ｂ２における断面図を示す。ウエハマーク１３Ａ及び
１３Ｂは、例えば露光面上に形成したＳｉＮ膜、ポリシ
リコン膜等をパターニングして形成される。マスクマー
ク１４は、例えばＳｉＣ等からなるメンブレン１２のマ
スク面上に形成したＴａ₄Ｂ膜をパターニングして形成
される。

【００２５】図２（Ｃ）は、図２（Ａ）の一点鎖線Ｃ２
−Ｃ２における断面図を示す。光軸２５に沿ってウエハ
マーク１３Ａ、１３Ｂ及びマスクマーク１４に入射した
照明光は、図２（Ｃ）の各長方形パターンの短辺側のエ
ッジで散乱される。エッジ以外の領域に照射された光は
正反射し、図１のレンズ２２には入射しない。従って、
像検出装置２１でエッジからの散乱光のみを検出するこ
とができる。

【００２６】図１の光学系２０の物空間において光軸２
５に垂直な１つの平面上にある点からの散乱光が、像検
出装置２１の結像面２１ａ上に同時に結像する。結像面
２１ａに結像している物空間内の物点の集合した平面を
「物面」と呼ぶこととする。

【００２７】図２（Ｃ）において、ウエハマーク１３
Ａ、１３Ｂ及びマスクマーク１４の各エッジのうち、物
面２７上にあるエッジからの散乱光は結像面上に合焦す
るが、物面上にないエッジからの散乱光は合焦せず物面
から遠ざかるに従ってピントがぼける。従って、各マー
クのエッジのうち物面に最も近い位置にあるエッジから
の散乱光による像が最も鮮明になり、物面から離れた位
置にあるエッジからの散乱光による像はぼける。

【００２８】図３は、エッジからの散乱光による結像面
上の像のスケッチである。図３のｕ軸が図２（Ｃ）にお
ける物面２７とＸＺ面との交線方向に相当し、ｖ軸が図
２（Ｃ）におけるＹ軸に相当する。ウエハマーク１３Ａ
及び１３Ｂからの散乱光による像４０Ａ及び４０Ｂが、
ｖ軸方向に離れて現れ、その間にマスクマーク１４から
の散乱光による像４１が現れる。

【００２９】各長方形パターンの前方のエッジと後方の
エッジによる散乱光が観測されるため、１つの長方形パ
ターンに対して２つの点状の像が現れる。各像におい
て、図２（Ｃ）の物面２７近傍のエッジからの散乱光に
よる像がはっきりと現れ、それから遠くなるに従ってぼ
けた像となる。また、図２（Ｃ）に示すように、観測光
軸２５が露光面に対して傾いているため、ウエハマーク
からの散乱光による像４０Ａ及び４０Ｂの最もピントの
合っている位置とマスクマークからの散乱光による像４
１の最もピントの合っている位置とは、ｕ軸方向に関し
て一致しない。

【００３０】マスクマークからの散乱光による像４１
が、ｖ軸方向に関してウエハマークからの散乱光による
像４０Ａと４０Ｂとの中央に位置するように図１のウエ
ハ保持台１５とマスク保持台１６とを移動させることに
より、Ｙ軸方向に関してウエハ１１とマスク１２との位
置合わせを行うことができる。

【００３１】図１に示す位置検出装置では、ウエハマー
ク及びマスクマークを斜方から観測するため、光学系２
０を露光範囲内に配置する必要がない。このため、露光
時に光学系２０を露光範囲外に退避させる必要がない。
また、位置合わせ完了後にウエハを露光する場合、露光
中も常時位置検出が可能である。さらに、照明光軸と観
察光軸を同軸にしているため、軸ずれがなく常に安定し
た像を得ることができる。

【００３２】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、図１の光学
フィルタ２６を取り外したときに、像検出装置２１によ
り得られた画像信号を示す。横軸は図３のｖ軸に対応
し、縦軸は光強度を表す。なお、この画像信号は、図３
においてｖ軸方向に走査しながら、一走査毎にｕ軸方向
に一定距離移動して得られた画像信号のうち、像４０Ａ
及び４０Ｂの最もピントの合っている位置の走査と像４
１の最もピントの合っている位置の走査によって得られ
た画像信号を合成したものである。

【００３３】図４（Ａ）は、ウエハマークがポリシリコ
ンで形成されている場合、図４（Ｂ）はＳｉＮで形成さ
れている場合を示す。なお、マスクマークは、共に、Ｔ
ａ₄Ｂで形成されている。

【００３４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、
ほぼ中央にマスクマークに対応する３本のピークが現
れ、その両側にウエハマークに対応する３本のピークが
現れている。

【００３５】以下、図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示す
波形から、マスクマークとウエハマークとの相対位置を
検出する方法の一例を簡単に説明する。まず、マスクマ
ークに対応するピーク波形をｖ軸方向にずらせながら２
つのウエハマークの各々に対応するピーク波形との相関
係数を計算する。最大の相関係数を与えるずらし量が、
ウエハマークとマスクマークとの中心間距離に対応す
る。

【００３６】マスクマークに対応するピーク波形とその
両側のウエハマークの各々に対応するピーク波形との間
隔が等しくなるように、ウエハとマスクとを移動するこ
とにより、図１のＹ軸方向に関して位置合わせを行うこ
とができる。

【００３７】相関係数の計算精度を高めるためには、結
像面に配置された光電変換素子を、その入出力特性が線
型に近い領域で使用し、かつＳ／Ｎ比の高い画像信号を
得ることが好ましい。このためには、マスクマークとウ
エハマークに対応するピークの高さを揃えておくことが
好ましい。しかし、ウエハマークからの散乱光とマスク
マークからの散乱光とは、図２（Ｃ）のメンブレン１２
の厚さ、ウエハマークとマスクマークとの材質の相違等
により、通常異なる強度を有する。このため、図４
（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、マスクマークに対
応するピークの高さとウエハマークに対応するピークの
高さとは異なる。

【００３８】本発明の実施例による方法を用いることに
より、マスクマークに対応するピークの高さとウエハマ
ークに対応するピークの高さとの差を減少させることが
できる。図５を参照して、本発明の実施例による位置検
出方法及び装置について説明する。

【００３９】図５（Ａ）は、図１の位置検出装置の結像
面２１ａ近傍の断面図を示す。光軸２５に垂直な結像面
２１ａの直前に光学フィルタ２６が配置されている。結
像面２１ａのうち領域２１ｂにウエハマーク１３からの
散乱光による像が形成され、領域２１ｃにマスクマーク
１４からの散乱光による像が形成される。なお、光学系
によっては、結像位置が逆になる場合もある。

【００４０】光学フィルタ２６の透過率は、領域２１ｂ
と２１ｃに対応する各々の領域２６ｂと２６ｃにおいて
相互に異なる。図５（Ｂ）は、光学フィルタ２６の正面
図を示す。円形のガラス板の上半分及び下半分に、それ
ぞれ相互に屈折率の異なる領域２６ｂ及び２６ｃが画定
されている。レンズ２２を透過したウエハマーク及びマ
スクマークからの散乱光の強度が異なる場合でも、光学
フィルタ２６の２つの領域の透過率を適切に選択してお
くことにより、結像面２１ａ上に結像する２つの散乱光
の強度を近づけることができる。

【００４１】結像面２１ａを照射するウエハマーク及び
マスクマークからの散乱光の強度が近づくと、図４
（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す画像信号のマスクマーク及
びウエハマークに対応するピークの高さがより近づく。
このため、より高精度に位置検出を行うことが可能にな
る。なお、光学フィルタ２６として、ウエハマーク及び
マスクマークからの散乱光の光路長が相互に異ならない
ような性質を有するフィルタを用いることが好ましい。

【００４２】斜方検出光学系においては、光の回折現象
を利用しないため、光の干渉の影響を防止するために白
色光を使用することが好ましい。従って、光学フィルタ
２６として、透過率の波長依存性の少ないニュートラル
デンシティフィルタを使用することが好ましい。また、
１枚のフィルタ内を複数の領域に分割し、各領域毎に透
過率を容易に変えることができる点でもニュートラルデ
ンシティフィルタが便利である。

【００４３】また、光学フィルタ２６の光軸上の位置
は、ウエハマークからの散乱光の光線束とマスクマーク
からの散乱光の光線束とが完全に分離された位置に配置
することが好ましい。従って、結像面２１ａの直前以外
に２つの散乱光の光線束が分離される位置があれば、そ
の位置に光学フィルタを配置してもよい。

【００４４】図５では、マスクマークからの散乱光とウ
エハマークからの散乱光を、透過率の異なる光学フィル
タを通して結像させる場合を示したが、一方の散乱光の
みをフィルタにより減衰させ、他方の散乱光をそのまま
結像させてもよい。この場合には、図５において、領域
２１ｂと２１ｃのうち一方の領域に対応する位置にのみ
フィルタを配置すればよい。

【００４５】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を
斜方から観測して、高精度に位置検出することができ
る。ウエハマークとマスクマークからの散乱光による像
の光強度を近づけることができるため、光電変換素子を
線型領域で使用し、かつＳ／Ｎ比の高い画像信号を得る
ことができる。このため、より高精度な位置合わせが可
能になる。位置合わせを行った後にウエハを露光する場
合、露光範囲に光学系を配置する必要がないため、露光
期間中も常時位置検出を行うことができる。このため、
高精度な露光が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による位置検出装置の概略を示
す断面図である。

【図２】ウエハマークとマスクマークの平面図及び断面
図である。

【図３】ウエハマークとマスクマークからの散乱光によ
る像をスケッチした図である。

【図４】実施例を説明するための比較例による画像信号
を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例による位置検出装置の結像面近
傍の断面図、及び光学フィルタの正面図である。

【符号の説明】

１０ウエハ／マスク保持部１１ウエハ１２マスク１３ウエハマーク１４マスクマーク１５ウエハ保持台１６マスク保持台１７駆動機構２０光学系２１像検出装置２１ａ結像面２２レンズ２３ハーフミラー２４光源２５光軸２６光学フィルタ３０制御装置４０Ａ、４０Ｂウエハマークからの散乱光による像４１マスクマークからの散乱光による像

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【手続補正書】

【提出日】平成９年３月３１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項６

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点
を有するアライメントマークが露光面上に形成された被
露光体と、入射光を散乱させるエッジ若しくは頂点を有
するマスクマークが表面上に形成された露光マスクと
を、前記露光面が前記露光マスクに対向するように間隙
を挟んで配置する工程と、前記アライメントマーク及びマスクマークの前記エッジ
若しくは頂点に照明光を照射し、前記アライメントマー
クからの散乱光と前記マスクマークからの散乱光を結像
面に結像させ、結像面内の像を観測して前記被露光体と
前記露光マスクとの相対位置を検出する工程であって、
前記アライメントマークからの散乱光による像の光強度
と前記マスクマークからの散乱光による像の光強度が相
互に近づくように、一方の散乱光を減衰させ、または２
つの散乱光を異なる量だけ減衰させて前記結像面に結像
させる前記相対位置を検出する工程とを含む位置検出方
法。
【請求項２】前記相対位置を検出する工程において、
前記アライメントマークからの散乱光を第１の光学フィ
ルタを通して結像させ、前記マスクマークからの散乱光
を前記第１の光学フィルタとは透過率の異なる第２の光
学フィルタを通して結像させる請求項１に記載の位置検
出方法。
【請求項３】前記第１の光学フィルタと第２の光学フ
ィルタが、１枚の光学フィルタ部材の相互に異なる領域
に画定されている請求項２に記載の位置検出方法。
【請求項４】前記光学フィルタ部材が、前記結像面の
直前に配置されている請求項３に記載の位置検出方法。
【請求項５】前記相対位置を検出する工程において、
前記照明光の光軸と同一の光軸を有する光学系により散
乱光を前記結像面に結像させる請求項１〜４にいずれか
に記載の位置検出方法。
【請求項６】露光面を有する被露光体と、該被露光体
の露光面に平行にかつある間隔を隔てて保持されたマス
クとに照明光を照射する照明光学系と、前記被露光体の露光面に対して斜めの光軸を有し、前記
被露光体及びマスクから散乱された光を結像面に結像さ
せる観測光学系であって、該観測光学系が前記結像面の
直前に配置された光学フィルタを含み、該光学フィルタ
の光透過率が、前記被露光体からの散乱光の結像位置に
対応する領域と前記マスクからの散乱光の結像位置に対
応する領域とにおいて、相互に異なる前記観測光学系と
を有する位置検出装置。
【請求項７】前記光学フィルタが、相互に透過率の異
なる２つの領域が画定されたニュートラルデンシティフ
ィルタである請求項６に記載の位置検出装置。