JPH11329919A

JPH11329919A - 位置検出装置、及び該位置検出装置を用いたデバイス製造方法

Info

Publication number: JPH11329919A
Application number: JP10146606A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yoshii; 実吉井; Hideki Ine; 秀樹稲; Masanori Hasegawa; 雅宣長谷川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】コンフォーカル顕微鏡を用いて高速且つ高精度
にに試料の３次元形状を検出すること。【解決手段】微小開口群を介して被測定物体上のマー
クを検出光学系を用いて照明し、前記微小開口群を再び
介して前記マークを検出する位置検出装置において、前
記微小開口群の各々が独立に制御可能なライトバルブで
構成されていることを特徴とする位置検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は位置検出装置、及び
該位置検出装置を用いたデバイス製造方法に関するもの
で、ＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイス、ＣＣＤ等の撮像
デバイス、液晶パネル等の表示デバイス、あるいは磁気
ヘッド等のデバイスを製造する際のリソグラフィー工程
で使用される投影露光装置において、レチクル等の第１
物体面上のパターンをウエハ等の第２物体面上に投影光
学系により投影する際のレチクルとウエハ間の相対位置
合わせに対し好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの微細加工技術の進展は近
年著しく、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスの高集積化
はますます加速度を増している。そして、微細加工の中
核となっているのがステッパーと呼ばれる縮小投影露光
装置である。

【０００３】ステッパーにおいてはマスク（レチクル）
上に形成された回路パターンの像を、シリコンウエハ面
上に塗布された感光層上の所定の位置に所定の縮小倍率
をもった投影光学系（投影レンズ）を介して縮小投影
し、転写を行なう。転写終了後、ウエハが載ったステー
ジを所定の量ステップ移動して再び転写するという逐次
露光で、１枚のウエハ全面の露光が行なわれる。

【０００４】ＩＣ素子を完成させるには一枚のウエハに
数十工程のプロセス加工を経ることが必要とされる。ス
テッパーにおける各工程の露光では、前の工程で該ウエ
ハ上に作製した回路パターンに対し、新たな回路原版を
投影し重ねるアライメント動作が行なわれる。重なり状
態が良くないとＩＣ素子の性能、例えば演算速度の低下
や故障、不良率の増大を招く。半導体デバイスの高集積
化が進み、回路パターン線幅が狭くなるに従い、アライ
メント精度の向上が重要な課題となっている。

【０００５】アライメント動作は予めウエハ上に形成し
たアライメントマークを用いて行なう。通常、スリット
状の形状をしたアライメントマークはアライメント光学
系で拡大されて撮像素子に結像し、光電変換されて濃淡
画像情報に変換される。濃淡画像からアライメントマー
クの位置を検出し、該検出量よりウエハの位置ずれ量を
求めて所望の位置にウエハを制御する。

【０００６】アライメント光学系は投影露光光学系を通
すＴＴＬ系と、投影露光光学系とは別の顕微鏡で検出す
るＯｆｆＡｘｉｓ系とがあり、通常のステッパーでは
両者の長所を併用して使用する。

【０００７】アライメントに高精度化が求められる中、
現在はアライメントマークのエッジ部の形状が問題とな
るほど技術のハードルが高くなっている。エッジ部の形
状を捉えるためアライメントマークの３次元形状情報を
検出し、アライメント情報として活用する方向が試みら
れている。

【０００８】従来、アライメントマークの３次元情報を
検出する方法の一つとしてコンフォーカル顕微鏡方式が
知られている。図８〜１０はコンフォーカル顕微鏡で３
次元情報を検出する従来法を示すもので、図８がコンフ
ォーカル顕微鏡の構成を示す。光源１から出た光束は偏
光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３によってＳ偏光のみが
反射し、λ／４板４により円偏光となって、７のニッポ
ウディスクと呼ばれるピンホール列を通る。ニッポウデ
ィスク７は図９に示すピンホール列からなり、回転軸７
１を中心に毎分数１００回転する。ニッポウディスク７
と観察対象である試料２は結像光学系６に関して光学的
に共役な関係にある。

【０００９】ニッポウディスク７の作用を説明するた
め、以下、ニッポウディスク７の回転を止めて説明す
る。ニッポウディスク７の１つのピンホール、例えば７
２を透過した光束は結像光学系６により試料２上の対応
する点に像を形成して照明する。照明光は照明領域内の
試料の強度分布に従って反射し、該反射光が同経路を逆
方向に進行して再びピンホール７２を透過する。透過光
束はλ／４板４を通過して円偏光からＰ偏光になり、Ｐ
ＢＳ３を透過する。

【００１０】撮像素子９とニッポウディスク７とは共役
関係になっている。該ピンホール７２を通過した光束は
撮像系９により光電変換され、処理装置１０でピンホー
ル７２部分の像が記憶される。

【００１１】ニッポウディスク７が回転するとピンホー
ル７２は走査運動を行ない、試料２面上を走査し、走査
の軌跡にしたがって走査線上の像を得る。一方、図９に
示す様にニッポウディスク７上には他にも多数のピンホ
ールが存在し、それらのピンホールも同様に走査を行な
う。例えばピンホール７２から少し離れたピンホール７
３も同様に走査を行なう。ピンホール７２とピンホール
７３の間隔は結像光学系の解像力で決まる大きさ以上離
れており、ピンホール７２の像がピンホール７３にかか
ることがないように設定されている。ピンホール７３に
よる像からもピンホール７２と同様に処理系１０により
走査線に沿った像が得られる。以上の動作によりニッポ
ウディスク７の回転に伴い試料２の画像が形成される。

【００１２】図１０は３次元情報を得る原理で、試料２
が結像光学系６に共役関係の位置を中心に光軸に沿って
移動した時の光束の状態を示す。尚、図１０の番号は図
８と対応している。図中（１）はニッポウディスク７が
共役位置より遠くにある場合、（２）はニッポウディス
ク７が共役位置にある場合、（３）はニッポウディスク
７が共役位置より手前にある場合を示している。ニッポ
ウディスク７と試料２から発せられる光束の径の関係を
見れば明らかなように、（２）以外では試料２からの光
束がニッポウディスク７上で広がり、ニッポウディスク
７のピンホールでけられてしまう。従ってピンホールを
透過して撮像素子９に到達する光量の最大値と試料２の
光軸方向の位置の移動距離を対応させることにより、試
料２の３次元形状を検出することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した様にコン
フォーカル顕微鏡は試料の３次元形状を検出することが
できる。しかしながら、従来のニッポウディスクを使う
方法は機械的な回転を利用しているため、ピンホールの
走査速度や位置に制限があり、高速に３次元形状を検出
することができないという問題点があった。例えばＴＶ
レートで３次元形状を検出するには１ｍｓｅｃ以下で一
画面の画像情報を得る必要があるが、１ｍｓｅｃを達成
するためにはニッポウディスクの回転速度を一桁以上あ
げる必要があり、実現することが困難であった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の位置検出装置、及び該位置検出装置を用い
たデバイス製造方法においては、高速に画像情報を抽出
するためにニッポウディスクに代わりピンホールに相当
する位置に画素を独立に制御できるライトバルブ手段を
設けることを特徴としている。ライトバルブを用いるこ
とにより一画素の検出時間を短縮することができる。ま
た、画面全体の情報が必要でない場合には選択的にライ
トバルブ手段の画素のｏｎ／ｏｆｆを制御できるため検
出時の自由度が増えて、高速検出が可能となり、高集積
化されたデバイスを用意に製作することが可能となっ
た。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の概要
部略図、図２は図１の要部の部分拡大図である。図中の
番号は従来例と対応が取られている。１は試料２を照明
する光源でハロゲンランプの様なインコヒーレント光源
でも、レーザの様なコヒーレント光源でも良い。１１は
ビームスプリッタで光源１からの光束を３の偏光ビーム
スプリッタ３の方へ偏向させる。５は偏光板で偏光ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）３で光源１からの光束が反射す
るようにＳ偏光のみを選択している。偏光板５はＰＢＳ
３の作用の補助的な役割としてＳ／Ｎを改善するもの
で、挿入は本質的なものではない。４はλ／４板で直線
偏光光に対し４５°方向にセットすると、往復２回の透
過で偏光面が９０°回転する。光源１からＰＢＳ３を介
して導かれたＳ偏光の光はＰＢＳ３と反射型ライトバル
ブ２０の間の往復で、λ／４板４の作用によりＰＢＳ３
を透過するＰ偏光の光に変換される。またλ／４板４は
帰りの光路では試料２から反射してきたＰ偏光の光をＰ
ＢＳ３と反射型ライトバルブ２０の間の往復で、ＰＢＳ
３を反射するＳ偏光の光に変換し、効率良く撮像素子９
の方に偏向させる役目を持っている。

【００１６】ライトバルブ２０は結像光学系６により試
料２と光学的に共役関係にあり、また撮像素子９とも結
像光学系８により光学的に共役になっている。１２は試
料２を結像系６の光軸方向、即ち検出光学系の高さ方向
に移動させる移動機構で、処理装置１０からの指令で所
定量の移動を行なう。

【００１７】図２は反射型ライトバルブ２０を微小ミラ
ーデバイスで実現した模式図である。反射型ライトバル
ブは画素となる微小なミラーを複数個集めて構成したも
ので、個々の微小ミラーデバイスのミラーのサイズは数
μｍから数百μｍを一辺とした長方形となっている。ミ
ラーの個数は数千から数百万で、マトリックス状に配置
され、反射型ライトバルブ２０全体のサイズは一辺が数
ｍｍから数十ｍｍ程度の長方形である。

【００１８】画素となる微小ミラー２０１〜２０８はミ
ラーと電極との間の電磁気力による引力や斥力を利用し
て支持部を中心にそれぞれを独立に角度を偏向すること
で、反射光のｏｎ／ｏｆｆ制御をすることができる。例
えば図２では微小ミラー２０１、２０３、２０６、２０
８はｏｆｆ状態で、微小ミラー２０２、２０４、２０
５、２０７はｏｎ状態である。前述の様にミラーの角度
は処理装置１０からの指令で自由に変えることができ
る。

【００１９】処理装置１０からの指令によりライトバル
ブ２０は所定の画素パターンをなす微小ミラーをｏｎ状
態にする。光源１からの光束はビームスプリッタ１１、
ＰＢＳ３で反射してライトバルブ２０に入射する。ライ
トバルブ２０のｏｎ状態になっている微小ミラーは入射
した光を反射してλ／４板４、ＰＢＳ３、結像光学系６
を介して試料２を照明する。照明された試料からの反射
光はライトバルブ２０は同一経路を逆に進み、同一の微
小ミラーで反射する。微小ミラーから反射した光はλ／
４板４を通過してＳ偏光となり、ＰＢＳ３で反射し、ビ
ームスプリッタ１１を透過して撮像素子９に到達する。
撮像素子９で光電変換された試料２の情報は、処理装置
１０内の記憶部に記憶される。

【００２０】処理装置１０は次いで別の画素パターンを
生成し、同様にして得られた像が処理装置１０の記憶部
に記憶される。以上の一連の動作を繰り返し行なうこと
で画像を取り込む一連の動作が終了し、所望の画像を得
ることができる。取り込みの時試料２は固定位置にある
ため、得られた画像は移動機構１２のある高さにおける
試料２の画像となる。

【００２１】種々の画素パターンから像を得る一連の動
作は、微小ミラーデバイスの高速応答性と、試料の必要
な部分のみを選択的な走査の利用で１ｍｓｅｃ以下で一
つの画像を得ることを可能としている。

【００２２】続いて３次元（立体）形状を得るため、処
理装置１０からの指令により移動機構１２が試料２を検
出光学系６の光軸方向に移動させ、上記一連の画像取り
込み動作が行なわれて、その高さでの画像を得る。以
降、順次移動機構１２を動かし、高さ方向の画像を複数
枚記憶する。試料２の３次元情報は高さ方向で複数個得
られた画像より、対応する画素の輝度が一番高い画像の
高さ方向の情報から得ることができる。以上の３次元情
報の取得はＴＶレートの３３ｍｓｅｃ以内で実現するこ
とが可能である。

【００２３】図３は液晶を用いてライトバルブを透過型
で構成した本発明の実施形態２である。図４に示す様に
ライトバルブ２０の液晶をｏｎ／ｏｆｆすることによ
り、所望の透過部と不透過部を持った空間パターンを形
成することができる。パターンの生成は処理装置１０が
指令を行なう。実施形態１の反射型ライトバルブの場合
と同様に所望のパターンを発生させることにより、１ｍ
ｓｅｃ以下の高速で一つの高さの画像を得ることができ
る。次いで同様に３次元（立体）情報を得るため、処理
装置１０は移動機構１２へ指令を出して試料２を検出光
学系６の光軸方向に移動させ、上記一連の画像取り込み
動作を行なって、その高さでの画像を得る。以降、順次
移動機構１２が試料２を動かし、高さ方向の画像を複数
枚記憶する。試料２の３次元情報は高さ方向で複数個得
られた画像より、対応する画素の輝度が一番高い画像の
高さ方向の情報から得ることができる。以上の３次元情
報の取得はＴＶレートの３３ｍｓｅｃ以内で実現するこ
とが可能である。

【００２４】図５は反射型ライトバルブを用いた本発明
の実施形態３を示すものである。ライトバルブ２０から
の反射光は結像光学系８によりライトバルブ２０とシャ
インプルーフの関係に導かれた撮像素子９により検出さ
れる。ライトバルブ２０と撮像素子９とを直接結像関係
に導いているため、ビームスプリッタを介して検出して
いたこれまでの実施形態に比べ光量の低下を防ぐことが
できる。

【００２５】以上の様に反射あるいは透過型のライトバ
ルブを用いることで、高速、高分解能で３次元形状が検
出可能なコンフォーカル顕微鏡を実現することができ
る。

【００２６】図６は本発明のコンフォーカル顕微鏡を半
導体露光装置のアライメント光学系に応用した実施形態
を示すものである。斜線で示したコンフォーカル顕微鏡
１５がアライメント顕微鏡として露光装置の架台１７に
投影光学系１６と同様に取り付けられている。

【００２７】図７は図６の露光装置に取り付けられたコ
ンフォーカル顕微鏡の構成を簡略化して示したもので、
透過型のライトバルブ２０を用いた実施形態である。図
中の番号は前の実施形態の番号と対応し、個々の作用に
ついては図３と同様である。

【００２８】次に上記説明した露光装置を利用した半導
体デバイス製造の実施形態を説明する。図１１は半導体
デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、あるいは液
晶パネルＣＣＤ等）の製造フローを示す。ステップ１
（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。
ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを
形成したマスクを製作する。

【００２９】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマ
スクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエ
ハ上に実際の回路を形成する。

【００３０】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作成されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程で、アッセンブリ工程（ダイシン
グ、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ
５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久
性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体
デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００３１】図１２は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。

【００３２】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光材を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では上記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付け露光する。

【００３３】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジ
スト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジス
トを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうこと
によって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成され
る。

【００３４】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製
造することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した様に本発明の位置検出装
置、及び該位置検出装置を用いたデバイス製造方法にお
いては、従来のコンフォーカル顕微鏡で用いられいるニ
ッポウディスクに変わってライトバルブ手段を用い、該
ライトバルブ手段でニッポウディスクのピンホールに相
当する画素を独立に制御することで、高速且つ高分解能
な３次元画像を得ることを実現した。ライトバルブは画
素のｏｎ／ｏｆｆ制御が容易なため、画面全体の情報が
必ずしも必要でないときは必要な画素のみ選択すること
ができ高速化が実現できる。また個々の画素の高速応答
性と組み合わせることにより、試料の３次元画像の高速
検出が可能となった。

【００３６】本発明を半導体露光装置などウエハの表面
に刻まれたマークを検出する装置に適用すれば、ウエハ
のアライメントマークの３次元形状をリアルタイムに検
出できるため、マークの非対称性や反射率むらなどの影
響を受けにくいアライメントを実現することができる。
また、本発明を用いた露光装置により、高集積度のデバ
イスを容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の概略図、

【図２】実施形態１で用いたライトバルブの要部拡大
図、

【図３】本発明の実施形態２の概略図、

【図４】実施形態２で用いたライトバルブの要部拡大
図、

【図５】本発明の実施形態３の概略図、

【図６】本発明を適用した露光装置、

【図７】図６におけるアライメント系の説明図、

【図８】従来のニッポウディスクを用いたコンフォー
カル顕微鏡の説明図、

【図９】ニッポウディスク、

【図１０】コンフォーカル検出の原理説明図、

【図１１】デバイスの製造方法のフローチャート、

【図１２】デバイスの製造方法のフローチャート

【符号の説明】

１光源２試料（被観察物）３偏光ビームスプリッタ４ λ／４板５偏光手段６結像光学系７ニッポウディスク８結像光学系９撮像素子１０処理装置１２移動機構１５コンフォーカル顕微鏡１６投影光学系１７架台２０ライトバルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小開口群を介して被測定物体上のマー
クを検出光学系を用いて照明し、前記微小開口群を再び
介して前記マークを検出する位置検出装置において、前
記微小開口群の各々が独立に制御可能なライトバルブで
構成されていることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記位置検出装置は被測定物体を前記検
出光学系の光軸方向の複数個の位置で検出することを特
徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記複数個の光軸方向の位置で検出した
画像より、前記画像の各画素について輝度が一番高い画
像から高さ方向の情報を抽出することを特徴とする請求
項２記載の位置検出装置。
【請求項４】前記ライトバルブが反射型のライトバル
ブであることを特徴とする請求項３記載の位置検出装
置。
【請求項５】前記反射型のライトバルブが微小ミラー
デバイスであることを特徴とする請求項４記載の位置
検出装置。
【請求項６】前記ライトバルブが透過型のライトバル
ブであることを特徴とする請求項３記載の位置検出装
置。
【請求項７】前記透過型のライトバルブが液晶デバイ
スであることを特徴とする請求項６記載の位置検出装
置。
【請求項８】前記ライトバルブが所定のパターンにし
たがってｏｎ／ｏｆｆされることをことを特徴とする請
求項３記載の位置検出装置。
【請求項９】微小開口群を介してウエハー上のマーク
をアライメント顕微鏡を用いて照明し、前記微小開口群
を再び介して前記マークを検出するアライメント顕微鏡
において、前記微小開口群の各々が独立に制御可能なラ
イトバルブで構成されていることを特徴とするアライメ
ント顕微鏡。
【請求項１０】請求項９記載のアライメント顕微鏡を
備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項１１】請求項１０記載の露光装置を用いてデ
バイスを作製することを特徴とするデバイスの製造方
法。