JPH11251230A

JPH11251230A - 位置検出装置、露光装置及び位置検出方法

Info

Publication number: JPH11251230A
Application number: JP10066057A
Authority: JP
Inventors: Shinko Morita; 眞弘森田; Toshiaki Sakamoto; 敏昭坂本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便な構成又は工程で、迅速にアライメント
用光源の出力強度、即ちアライメント用照明光の強度を
検出し、正確なアライメントを行なうことができる位置
検出装置等を提供すること。【解決手段】物体上のマークに照射される照明光を射
出する光源５、６と、前記マークから発生する光を受光
する受光部７、８とを有し、前記受光部から出力される
信号に基づいて前記マークの位置情報を検出する位置検
出装置において、前記受光部の出力信号に基づいて前記
照明光の強度を算出する光強度算出部ＣＡＬと、前記算
出された光強度と所定値とを比較する比較演算部ＣＭＰ
とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、感光基板等の位置
を検出する装置又は方法、特に半導体集積回路、液晶デ
ィスプレイ、薄膜磁気ヘッド、又は撮像素子（ＣＣＤ）
等のマイクロデバイスを製造するフォトリソグラフィ工
程における感光基板の位置検出装置又は方法、又は該マ
イクロデバイスを製造するための露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子又
は薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィ技術を用いて
製造する際に、フォトマスク又はレチクルのパターンを
投影露光光学系を介して、フォトレジスト等が塗布され
たウエハ又はガラスプレート等の感光基板（以下、ウエ
ハと呼ぶ）に投影露光する投影露光装置が使用されてい
る。一般に、半導体素子等の製造では、数層〜十数層の
回路パターンを重ね合わせるため、ウエハ上に既に形成
された回路パターンと、これから露光すべき回路パター
ンの光像とを正確に重ね合わせる位置合わせ（以下、ア
ライメントと呼ぶ）の技術が必要となる。そして、正確
なアライメントを行なうためにはウエハの位置検出が必
須のものとなる。

【０００３】次に、ウエハの位置検出について説明す
る。近年、露光装置、特にレチクルのパターンをウエハ
上の複数のショット領域に順次転写するステップ・アン
ド・リピート方式又はステップ・アンド・スキャン方式
の縮小投影型露光装置（ステッパー）が多用されるよう
になっている。この種の投影露光装置では、レチクルパ
ターンの投影像とウエハ上にマトリックス状に形成され
た回路パターン（チップ）とを正確に重ね合わせるため
のアライメント光学系（方式）の代表例として、以下の
（１）〜（３）に述べる３つの光学系が知られている。（１）まず、ＬＳＡ（ＬａｓｅｒＳｔｅｐＡｌｉｇ
ｎｍｅｎｔ）系と呼ばれる光学系である。細長い帯状ス
ポット光を投影レンズを介してウエハマーク（回折格子
マーク）上に照射し、マークから発生する回折光又は散
乱光を利用してマークの位置を計測するものである。（２）次は、ＦＩＡ（ＦｉｅｌｄＩｍａｇｅＡｌｉ
ｇｎｍｅｎｔ）系と呼ばれる光学系である。ハロゲンラ
ンプ等を光源とする波長帯域幅の広い光でウエハを照明
し、画像処理してマーク位置を計測するものである。（３）そして、ＬＩＡ（ＬａｓｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒ
ｏｍｅｔｒｉｃＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）系と呼ばれる光
学系である。回折格子状のウエハマークに対して、周波
数を僅かに変えたレーザビームを２方向から同時に照射
して、発生した２つの回折光を干渉させ、その位相から
マーク位置を計測するものである。

【０００４】そして、上記３つの光学系を単独又は適宜
組み合わせて使用することで、正確なアライメントを行
なっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記アライメント光学
系では、いずれもＨｅ−Ｎｅレーザ又はハロゲンランプ
等の光源を用いてウエハマーク等を照射し、その反射光
に基づいてアライメントを行なっている。該光源は累積
点灯時間が長くなるにしたがって、消耗のため経時的に
出力強度が低下してくる。このため、ウエハマークから
の反射光量が減衰するので、信号のＳ／Ｎ比が低下し良
好なアライメントを行なうことが困難となる。そこで、
アライメント光学系の光源が消耗によりその出力が低下
し、十分なアライメントを行なうために必要な出力強度
を下回った場合は、該光源を新しい光源と交換する必要
がある。

【０００６】この交換時期を知るために上記従来技術の
投影露光装置では、アライメント系の光源からの光束の
光強度を検出するために、該光束をビームスプリッタに
て２光束に分割し、一方の光束をアライメント用に使用
し、他方の光束を光源出力検出用に使用している。そし
て、光源出力検出用の光束の強度をパワーモニタにより
測定する。この測定された信号強度はアライメント用光
源の出力強度に比例しているので、パワーモニタにより
アライメント用光束の光強度をモニタすることができ
る。

【０００７】次に、光源交換時期の従来の判断手順につ
いて説明する。まず、光源の消耗による出力低下によっ
てアライメント用の信号が十分に得られなくなり該光源
を新しい光源に交換した時、交換が必要となった古い光
源の光源出力検出用の光束をパワーモニタで計測し、そ
の結果を記憶しておく。即ち、光源が消耗し交換が必要
となった時の前記パワーモニタで検出される光源出力検
出用の光束の光強度を、交換時期の判断基準値として記
憶しておくことになる。そして、投影露光装置を一定期
間使用する毎に、パワーモニタで光源出力検出用の光束
の光強度を検出して、その検出された結果と前記記憶し
た値とを比較することにより、光源が消耗による交換時
期に至っている否かを判断している。

【０００８】しかし、上記従来技術においては、投影露
光装置がアライメント光学系を複数有する場合には、各
光学系の光源毎にビームスプリッタ及びパワーモニタを
設ける必要がある。このため、光学部品、電気回路等が
増加するので、その分配線数も多くなり、さらに製造コ
ストもかかるという問題がある。さらに、アライメント
用の光束の強度を検出するためのプロセスが必要とな
り、露光装置のスループットが低下するという問題もあ
る。

【０００９】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、上述のようなアライメント用光源の光強度を検出
するためのビームスプリッタ及びパワーモニター等を使
用せずに、簡便な構成又は工程で、迅速にアライメント
用光源の出力強度、即ちアライメント用照明光の強度を
検出し、正確なアライメントを行なうことができる位置
検出装置、位置検出方法又は露光装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明では、物体上のマーク（ＷＭ、
ＦＭ）に照射される照明光を射出する光源（５、６）
と、前記マークから発生する光を受光する受光部（７、
８）とを有し、前記受光部から出力される信号に基づい
て前記マークの位置情報を検出する位置検出装置におい
て、前記受光部の出力信号に基づいて前記照明光の強度
を算出する光強度算出部（ＣＡＬ）と、前記算出された
光強度と所定値とを比較する比較演算部（ＣＭＰ）とを
備えたことを特徴とする。

【００１１】また、請求項２記載の発明では、基板Ｗ上
のマーク（ＷＭ、ＦＭ）に照射される照明光を射出する
光源（５、６）と、前記マークから発生する光を受光す
る受光部（７、８）とを有し、前記受光部から出力され
る信号に基づいて前記マークの位置情報を検出するマー
ク検出系（９）を備え、前記マーク検出系の出力を利用
してマスクのパターン（３）を前記基板（Ｗ）上に転写
する露光装置において、前記受光部の出力信号に基づい
て前記照明光の強度を算出する光強度算出部（ＣＡＬ）
と、前記算出された光強度と所定値とを比較する比較演
算部（ＣＭＰ）とを備えたことを特徴とする。

【００１２】また、請求項３記載の発明では、前記マー
ク検出系（９）は、前記受光部（７、８）の出力信号の
強度を変化させるように利得を調整する自動利得調整部
（ＡＧＣ）を有し、前記光強度算出部（ＣＡＬ）は前記
利得をさらに用いて前記照明光の強度を算出することを
特徴とする。

【００１３】また、請求項４記載の発明では、前記光源
の出力変化を検出するために、前記比較演算部（ＣＭ
Ｐ）での比較結果に基づいて前記照明光の強度に関する
情報を表示する表示部（１２）をさらに備えたことを特
徴とする。

【００１４】また、請求項５記載の発明では、光源
（５、６）から射出される照明光を物体上のマーク（Ｗ
Ｍ、ＦＭ）に照射し、前記マークから発生する光を光電
検出して得られる信号に基づいて、前記マークの位置情
報を検出する位置検出方法において、前記得られた信号
に基づいて前記照明光の強度を算出し（ＣＡＬ）、前記
光源の出力変化を検出するために、前記算出された強度
と所定値とを比較すること（ＣＭＰ）を特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に
かかる投影露光装置の概略構成を示す図である。照明系
１からの光束はレチクルステージＲＳＴに載置されたレ
チクルＲに形成されたパターン３を照明する。ここで、
照明系１は、不図示の光源、該光源からの光束の形状を
変換するビームエキスパンダ、均一照明を行なうための
インテグレータ光学系、光束径を制限する開口絞り、コ
ンデンサレンズ群などを含んでいる。そして、均一照明
された照明光に基づいて、パターン３は投影レンズＰＬ
を介してＸ−ＹステージＷＳＴ上に載置されたウエハＷ
上に投影露光される。ここで、Ｘ−ＹステージＷＳＴに
は反射鏡ＲＭが設けられ、Ｘ軸干渉計ＩＦＸは、反射鏡
ＲＭからの反射光に基づいて、駆動装置ＭＶにより移動
されるＸ−ＹステージＷＳＴの位置を干渉測定する。な
お、Ｙ方向については図示を省略しているが、Ｘ方向と
同様にステージ位置を干渉測定し、Ｚ軸方向について
は、フォーカス機構４により焦点合わせがされる。

【００１６】本実施形態の投影露光装置はアライメント
用光学系として上述のＬＳＡ系とＦＩＡ系の２つの系を
有している。まず、ＬＳＡ方式によるアライメントつい
て説明する。ＬＳＡ方式では、アライメント用光源であ
るＨｅ−Ｎｅレーザ５からのレーザ光は半透明鏡ＨＭ１
を透過し、図示しないアライメント光学系により帯状の
スポット光とされ、ウエハＷ上のウエハマークＷＭ上を
照射する。次に、ウエハＷからの回折光又は散乱光は、
半透明鏡ＨＭ１及び半透明鏡ＨＭ２で反射され、ＣＣＤ
等を含むアライメントセンサ７で検出される。そして、
センサ７からの信号に基づいて、ウエハマークＷＭの位
置を計測する。かかるレーザ５からアライメントセンサ
７にいたる光学系をＬＳＡ系と呼ぶ。なお、ＬＳＡ系の
レンズ等の光学素子は簡略のため省略してある。また、
主制御系１１は、照明系１、アライメント制御系９等を
統括的にコントロールしている。

【００１７】次に、ＬＳＡ系によるアライメント手順を
さらに詳しく説明する。以下、簡便のためＸ軸方向につ
いて説明するが、実際はＹ軸方向についてもＸ軸方向と
同様の手順でアライメントを行なう。

【００１８】まず、ＬＳＡアライメント光学系のベース
ライン計測を行なう。即ちＸ−ＹステージＷＳＴ上に設
けられた基準マークＦＭをＬＳＡ光学系で検出すると共
に、その基準マークＦＭとレチクルＲ上のマークＲＭと
を、レチクルＲの上方に配置されるレチクルアライメン
ト系（不図示）で検出する。そして、この２つの検出結
果と、Ｘ軸干渉計ＩＦＸの出力とに基づいて、ＬＳＡ光
学系のベースライン量を決定する。このベースライン量
の測定は、機械的な振動などを要因としてベースライン
が変動しうる場合に行なえば良く、各アライメントごと
に実行する必要はない。例えば、複数枚（５〜１０枚）
のウエハＷへの露光が完了した時に、ベースライン計測
を実行するようなシーケンスを採用するのが好ましい。
次に、ウエハＷは不図示のプリアライメント装置により
予めプリアライメントされ、Ｘ−ＹステージＷＳＴ上に
載置される。ＬＳＡ系からの帯状スポット光をウエハマ
ークＷＭ上に照射し、該マークＷＭから発生する回折光
又は散乱光を利用してウエハマークＷＭの位置を計測す
る。ステージ駆動部ＭＶはステージ制御系１０からの指
令により、計測されたウエハマークＷＭの位置に基づい
て、Ｘ−ＹステージＷＳＴを動かすことで、ウエハＷを
任意の露光領域に移動させ、順次露光を繰り返す。そし
て最後に、レチクルを交換して他のパターンを露光する
か否かを判断する。レチクルを交換する必要が無い場合
は、上記ベースライン計測を除いたアライメントからの
手順を繰り返す。レチクルを交換し、さらに露光を行な
う場合は、レチクル交換後上記ベースライン計測から開
始する。なお、上述のように、ベースライン計測はレチ
クル交換時に限らず、所定枚数のウエハを露光するごと
に行なっても良い。

【００１９】次に、照明光の強度を検出して照明用光源
を交換する手順について説明する。まず、ＬＳＡ系の光
源であるＨｅ−Ｎｅレーザ５を交換するための手順を図
２に基づいて説明する。一般にＬＳＡ系を使用して良好
なアライメントを行なうためには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ５
は５ｍＷ以上の出力が必要であるので、以下の例では、
光源の出力強度が５ｍＷ以下になった時点で新しいレー
ザと交換する場合の手順を説明する。なお、この値は
「５ｍＷ」に限られず任意に設定できるものである。ま
ず、ステップ２００でＨｅ−Ｎｅレーザ５を新品に交換
した際に、パワーメーターでレーザの出力値Ｃを測定す
る（ステップ２０２）。そして、特定の位置、例えばＸ
−ＹステージＷＳＴ上に設けられている基準マークＦＭ
をＬＳＡ系を用いてアライメント計測する。図３は基準
マークＦＭとレーザ光１３との相対的な関係を示す図で
ある。ＬＳＡ系では、上述のように基準マークＦＭから
の回折・散乱光を検出するので、マークとして等間隔ピ
ッチで配列されたＬＳＡ用マーク１４が設けられてい
る。そして、Ｘ−ＹステージＷＳＴを図３中矢印の方向
へ移動することにより、レーザ光源５からの帯状スポッ
ト光１３は該ＬＳＡ用マークを照射する（ステップ２０
４）。アライメントセンサ７は、基準マーク７上のＬＳ
Ａマークからの回折光などを受光する（ステップ２０
６）。図４は、このときセンサ７で検出される波形Ａ
（最大振幅値はＤ）を示している。

【００２０】次に、ステップ２０８で、光強度算出部Ｃ
ＡＬは、前記レーザ出力値Ｃと波形Ａの振幅値Ｄとに基
づいて、レーザの出力強度が５ｍＷである時に基準マー
クＦＭを計測した場合に検出される波形（図３の波形Ｂ
に相当）の振幅値Ｅを光源交換のための判断基準値とし
て逆算して算出する。なお、図３の波形Ｂは、認識しや
すくするため波形Ａに対して上方に位置をずらして描い
ている。該基準値Ｅは、次式、Ｅ＝５Ｄ／Ｃで求めることができる。そして、ステップ２１０におい
て、記憶装置ＭＥＭはこの基準値Ｅを記憶する。

【００２１】ここで、露光装置を使用してレチクルパタ
ーン３をウエハＷに投影露光する場合には、上述のよう
に一定期間使用する毎に、例えば、ウエハＷを５〜１０
枚露光する毎に、アライメント系のベースライン計測を
行なうことが好ましい。ＬＳＡ系のベースライン計測で
は基準マークＦＭ上のＬＳＡマーク１４を検出する工程
が含まれているので、通常の投影露光プロセスにおいて
特別の工程を設けなくとも、基準マークＦＭの計測を行
なうことができる。即ち、ステップ２１２でウエハのア
ライメントを開始して、そのＬＳＡ系のアライメントの
プロセスにおいて、ベースライン計測が必要と判断され
た時は（ステップ２１４）、ステップ２１６で基準マー
クＦＭを計測する。この基準マークＦＭの計測を行なっ
た際に、基準マークＦＭ上のＬＳＡ用マークからの回折
・散乱光の強度Ｅ’をアライメントセンサ７で検出し、
記憶装置ＭＥＭに記憶させる。ステップ２１８で、比較
演算器ＣＭＰは、光源を新しいものに交換した時に測定
・記憶した基準値Ｅと、通常の露光プロセスで基準マー
クＦＭを計測した時に得られる値Ｅ’とを比較する。そ
して、Ｅ’が基準値Ｅ以下の場合には、光源の出力強度
が５ｍＷ以下になったものと判断して、レーザ光源５を
新しいものに交換する（ステップ２２０）。また、ベー
スライン計測が不要であったり、上記比較の結果、光源
を交換する必要が無い場合は、さらに上述した一連のア
ライメントを行ない露光を繰り返す（ステップ２２
２）。

【００２２】また、アライメント制御系９は自動利得調
整部であるＡＧＣユニットを有している。ＡＧＣユニッ
トはセンサ７からの出力信号の大きさがほぼ一定になる
ように利得を調整するものである。したがって、レーザ
光源５の出力が低下しても、センサ７からの出力信号強
度はＡＧＣユニットの作用によって、見かけ上ほぼ一定
の強度レベルに保たれている。ここで、アライメント制
御系９は、センサ７からの信号の大きさと、該信号を得
た時のＡＧＣユニットの利得とに基づいて、真の信号強
度（即ち、利得が調整されていない状態でのセンサ７の
出力信号の大きさ）を知ることができる。

【００２３】また、表示装置１２は、上記比較結果に基
づいてレーザ光源５が交換時期に至っている場合は、そ
の旨を表示する。このため、オペレータに注意を促すこ
とができる。また、該表示内容としては、レーザ光源５
が交換時期に至っていない場合でも、例えば、照明光の
強度が初期状態（新品時）に比較して７０パ−セント劣
化している旨の警告などを表示しても良い。

【００２４】次に、ＦｌＡ系を用いたアライメント系に
ついての光源の交換判断手順を説明する。基本的な手順
は上記ＬＳＡ系における交換手順と同様である。ＦＩＡ
系によるアライメントでは、光源であるハロゲンランプ
６からの光束は鏡Ｍで反射され、図示しない光学系を透
過した後、ウエハＷ上のウエハマークＷＭを照明する。
次に、ウエハマークＷＭからの反射光は、半透明鏡ＨＭ
３、ＨＭ１で反射された後、半透明鏡ＨＭ２を透過し、
鏡Ｍで反射され、ＦＩＡ用アライメント観察カメラ８に
入射する。そして、アライメント制御系９は、ＦＩＡ用
アライメント観察カメラ８からの信号に基づいて画像計
測することでウエハＷのアライメントを行なう。

【００２５】光源であるハロゲンランプ６の交換時期を
判断するために、まず、ハロゲンランプ６を新品に交換
した時に、ＦＩＡアライメント用観察カメラ８で検出さ
れる信号値の大きさを測定しておく。次に、上記ＬＳＡ
系の場合と同様に、光源の消耗により交換時期に至った
時のアライメント用観察カメラ８の検出信号値を逆算し
て求め、その値を基準値として記憶装置ＭＥＭに記憶さ
せる。そして、露光装置を一定の期間使用する毎に、ア
ライメント用観察カメラ系８の信号値を検出し、ＡＧＣ
の利得を加味して該検出信号の大きさが前記記憶装置Ｍ
ＥＭに記憶された値よりも小さくなった時点で、ハロゲ
ンランプ６が交換時期であると判断する。そして、表示
装置１２は、上記ＬＳＡ系の場合と同様に、ハロゲンラ
ンプ６が交換時期に至っていることを表示し、オペレー
タに注意を促す。

【００２６】また、本発明は、露光装置のアライメント
系に限られず、自動利得調整装置を有するセンサを使用
する光学系等に適用できる。

【００２７】

【発明の効果】上記説明したように、請求項１の発明で
は、前記受光部の出力信号に基づいて前記照明光の強度
を算出する光強度算出部と前記算出された光強度と所定
値とを比較する比較演算部とを備えている。このため、
照明光の強度を検出するためのパワーモニタ、光学部品
等が不要となる。したがって、安価なコスト、簡便な構
成の装置で位置検出できる。

【００２８】また、請求項２記載の発明では、前記受光
部の出力信号に基づいて前記照明光の強度を算出する光
強度算出部と、前記算出された光強度と所定値とを比較
する比較演算部とを備えている。このため、照明光の強
度を検出するためのパワーモニタ、光学部品等は不要で
あり、通常のマーク検出手順で得られる信号に基づいて
アライメント用マークを照明する光の強度を検出でき
る。したがって、安価かつ簡便な構成で、迅速に基板を
アライメントすることができ、迅速な露光処理を行なう
ことができる。

【００２９】また、請求項３記載の発明では、光強度算
出部は自動利得調整部の利得をさらに用いて前記照明光
の強度を算出している。このため、見かけ上は一定強度
の信号が得られていても、常に真の照明光強度を検出す
ることができる。

【００３０】また、請求項４記載の発明では、前記光源
の出力変化を検出するために、前記比較演算部での比較
結果に基づいて前記照明光の強度に関する情報を表示す
る表示部をさらに備えている。したがって、オペレータ
はアライメント用光源の状態を正確に認識することがで
きる。

【００３１】また、請求項５記載の発明では、前記得ら
れた信号に基づいて前記照明光の強度を算出し、前記光
源の出力変化を検出するために、前記算出された強度と
所定値とを比較している。したがって、照明光の強度を
検出するための専用工程が不要であり、簡便な工程で位
置検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる露光装置の概略的な
構成図である。

【図２】光源交換判断の手順を示す図である。

【図３】基準マークＦＭ上のＬＳＡマークの概略図であ
る。

【図４】ＬＳＡ系の検出信号波形を示す図である。

【符号の説明】

ＷＭウエハマークＦＭ基準マーク５レーザ光源６ハロゲンランプＲマスクＷウエハ７、８アライメントセンサＭＥＭ記憶部ＣＡＬ強度演算部ＣＭＰ比較演算部９アライメント制御系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体上のマークに照射される照明光を射
出する光源と、前記マークから発生する光を受光する受
光部とを有し、前記受光部から出力される信号に基づい
て前記マークの位置情報を検出する位置検出装置におい
て、前記受光部の出力信号に基づいて前記照明光の強度を算
出する光強度算出部と、前記算出された光強度と所定値とを比較する比較演算部
とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】基板上のマークに照射される照明光を射
出する光源と、前記マークから発生する光を受光する受
光部とを有し、前記受光部から出力される信号に基づい
て前記マークの位置情報を検出するマーク検出系を備
え、前記マーク検出系の出力を利用してマスクのパター
ンを前記基板上に転写する露光装置において、前記受光部の出力信号に基づいて前記照明光の強度を算
出する光強度算出部と、前記算出された光強度と所定値とを比較する比較演算部
とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】前記マーク検出系は、前記受光部の出力
信号の強度を変化させるように利得を調整する自動利得
調整部を有し、前記光強度算出部は前記利得をさらに用
いて前記照明光の強度を算出することを特徴とする請求
項２記載の投影露光装置。
【請求項４】前記光源の出力変化を検出するために、
前記比較演算部での比較結果に基づいて前記照明光の強
度に関する情報を表示する表示部をさらに備えたことを
特徴とする請求項２又は３記載の投影露光装置。
【請求項５】光源から射出される照明光を物体上のマ
ークに照射し、前記マークから発生する光を光電検出し
て得られる信号に基づいて、前記マークの位置情報を検
出する位置検出方法において、前記得られた信号に基づいて前記照明光の強度を算出
し、前記光源の出力変化を検出するために、前記算出さ
れた強度と所定値とを比較することを特徴とする位置検
出方法。