JPS58213207A - アライメントマーク検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主に反射性物体に設けられた溝或いは凸部が形
成する図形の形状を認識するに適した方法及び光学装置
又は前記図形の位置を検出するに適した装置、特に集積
回路素子などを製造の際に使用するに好適な位置検出に
関するものである。

トランジスターや集積回路素子（１，Ｃ，、Ｌ、　Ｓ、
１．）の様な半導体素子を製造する作業工程は微細なパ
ターンの焼き付けやリード線ボ／ディング作業を含み、
焼き付は用基板やペレットを所定の位置に正確に合わせ
る必要がある。そしてこの基板等の微細構造はミクロン
或いはサブミクロンオーダーの細かさであることがら、
位置合わせの精度もミクロン乃至サブミクロンのオーダ
ーでなされる必要がある。しかしながらこの種の作業は
熟練した作業者にとっても極めて煩雑であり、熟練まで
虻長い経験を必要とする。

また焼き付は基板上の微細構造とマスク上の微細パター
ンの高精度の位置合わせなどでは、作業者が顕微鏡を覗
いて位置合わせすべき物体を観察し手動で物体を所定位
置まで変位させるのが普通であったが、最近この種の位
置合わせ作業を機械的自動的に行う試みがなされており
、所謂オート・アライナ−と呼ばれる装置がこれである
。

オート・アライメント即ち自動位置調整法では位置合わ
せに光電的手法が常用されている。

例えば、既に回路実素子のパターンが形成処理された基
板に別のパターンを重ねて焼き付ける場合に、基板上に
予め設けたアライメントマークとマスクに設けたアライ
メントマークを合致させること忙より形成されたパター
ンと別のパターンを所望の関係に導こうとするもので、
基板のマークとマスクのマークがずれているときにはこ
れを光電的に検出し、差が零になるまでサーボ機構を作
動返せて基板とマスクの位置調整を行う技術である。な
お専用のアライメントマークを設けなくとも、実素子の
一部をアライメントに使用しても同等である。

その際光電的な検出では、対象とする物体の像のコント
ラストが検出精度に決定的な影響を与える要因である。

従来のオードアライ・メント装置での問題点は十分なコ
ントラストが得られないことにあり、この点に関して幾
つかの原因が考えられる。先ず光学系自体の品質を別に
すればマスク側に起因する問題と基板側に起因する問題
が主である。

即ちマスクの材料として常用されているクロムの表面か
らの反射光がフレアの成分となって信号のＳＮ比を劣化
させるし、また基板、例えばシリコン上に塗布した二酸
化シリコン或いはフォトレジスト面からの反射光も同様
な働きをする。他に、二酸化シリコン層或いはレジスト
層は干渉薄膜としての作用を持つため一対象とするパタ
ーンは特定の膜厚のとき明暗部の逆転を生じて電気信号
として処理する場合に不利な要素となることがある。な
お、フレア成分の除去のためアライメント基準を暗視野
中で検知するものとして、米国特許第３０２９３４８号
がある。

本発明はコントラストに悪影響を及ばず成分の除去を可
能にしてコントラストを増加せしめ、更に干渉膜効果を
受けることがない様にすることを目的としている。そし
て光電的な検出系など検出系側にコントラストの非常に
高い検出し易い情報を与えると共に、別に観察用の光学
系を押入した場合も検出系側に何らの悪影響を与えるこ
とのない通常の如き明視野の顕微鏡観整を可能としたも
のである。

次に先ず第１図に従って本発明実施例の基礎となる光学
配置とその現象を説明する。図中で、子上に形成された
回路用実素子或いはアライメントマークの境界をなす傾
斜部である。２はテレ七ントリック（落射）レンズで、
レンズ２０光軸は対象物体の表面１ａに垂直に配されて
いる。

３は、テレセントリックレンズ２の前側焦点位置に一致
して設けた絞りで、レンズ２と絞り３から成る光学系の
入射瞳の位置となる。ここで、光軸と瞳面の交点に光源
を設けるとすれば各画角圧対応する主光線はレンズ２を
通過した後、光軸に平行となる。この様な光束が対象物
体１へ入射したとき、反射性の表面１ａで反射する光束
の′中心である主光線は再び元来た光路を逆圧辿るので
、反射光は瞳位置即ち対物レンズの前側焦点位置に集ま
る。本願ではこの様に対称物体へ入射した主光線が元来
た光路を辿る様な光束を正反射光Ａと呼ぶことにする。

一方傾斜部１ｂへ入射した主光線は光軸を転ぜられるの
で、元来た光路に一致せず、発光点に戻ることがない。

この種の光束を検知反射光Ｂと呼ぶことＫする。

コントラストを悪化させる要因である前述の反射光は上
記正反射光にあたり、この正反射光を如何に除くかがコ
ントラスト向上のだめの要件である。

本発明はフィルタリング光学系を構成し、マスクやウェ
ーハからの望ましくない反射光を除去するもので、例え
ば前記正反射光を遮って雑音の除去を行うものである。

即ち後述の実施例に従えば通常の結像と共に瞳の結像が
前述の遮り、所謂フィルタリングを可能にするため重要
となる。またこのフィルタリングを可能にするため、対
物レンズの瞳の照明はバーシャリ−・コヒーレント（部
分的コヒーレント）照明を用いる。

第２図或いは第３図は本精明の実施形態を示］７た例で
あって、以下に記述するシュリーレン型フィルタリング
光学系としては他にも色々の変形に考えられるが、光電
検出を瞳の像面で行う一例が第２図の光学系であり、物
体の像面で行う一例が第３図である。

先ず第２図に於て、１０は検出対象物体である。また１
１は顕微鏡対物レンズ。１２は、対物レンズ１１の焦点
位置に一致して設けた絞りで、対物レンズ１１の「瞳」
位置でもある。１３はランプ、１４け明るさ絞りで、１
５はレンズであり、レンズ１５はランプ１３の像を絞り
１４の開１０上に形成する。明るさ絞りは瞳１２上に形
成される二次光源像の大きさを決定する。１６は視野絞
りで、対象物体１ｏの照明されるべき領域を決定する。

視野絞りがないと顕微鏡の有効視野外が余分に照明され
たり有効径外で散乱光が生じて精度を悪くする原因とな
る。１７は、ランプ１３の像をレンズ１１の瞳位置１２
に結像するだめのレンズで、１８は半透鏡である。

半透鏡１８は対物レンズ１１の光軸に垂直側方に設けら
れた照明光学系（１：（，１４，１５゜１６．１７）か
らの尤を対物レンズ１１の光路に導入するために設けら
れている。なお、注意すべき点は顕微鏡対物の開口数に
よって定寸る瞳の径全体を覆う様に光源の１象を作るの
ではなくて、瞳の径よりかなり小さく光源を作って照明
する、換言すればバーシャリ−・コヒーレント照明を行
うことである。そして瞳の直径をＲとし光源の１象の直
径をＴとしたとき、ｒ　／　）ζは０．２，０．３から
０．６，０．７といった値をとる。

寸た、１９はリレーレンズで、２０けスキャンナーであ
る。スキャンナー２０は対物レンズ１１およびリレーレ
ンズ１９による物体１０の結ｒ象面に一致して配置する
。（光路は破線で示す）スキャンチー２０自体の構成は
本願の主貢に含まれないため詳しく説明しないが、透過
型のものでも反射型のものでも良く、いずれにせよこの
スキャンナーにより物体上の随意の領域に於ける光電的
な情報をサンプリングすることが可能となる。なお検出
方法の出願としては例えば特開昭４９−１８４７２号が
ある。

一方、２１および２２は各々瞳の結像レンズでリレーレ
ンズ１９と瞳の結像レンズ２１で瞳１２を１度結像させ
た後、再度軸の結像レンズ２２で結像させる、（光路は
細線で示す）２３けフィルタで、中央に正反射光除去用
のストッパー２３ａがある。このストッパーの寸法は瞳
１２上に結像された光源の大きさと、レンズ１９と２１
の合成した瞬結像倍率により決定する。２４はフォト・
ディテクターで、公知の手段を適用して良く、フォト・
ディチク４１−２４の位置は瞳の位置と共軛である。

以上の光学配置で、瞳１２上にできたパー゛シャリ−・
コヒーレント光源からの光束は顕微鏡対物レンズ１１を
通過後、その主光線（ま光軸に平行となって対象物体へ
入射する。そしてテレセンドリンクであるから、反射性
の物体１ｏによって反射された九のうち正反射光による
一光源の像は元の光源像と一致し、瞳上で光源の正反射
ｒ象ができていない部分には検知反射光がきている。光
電検出部で検出するのは、傾斜部から来る検知反射光で
あり、そのため二酸化シリコン層やフォトレジスト層に
於ける干渉薄膜効果は完全に無視できる。なお、傾斜部
をアライメントマークとして使用する場合は、マークは
傾斜部を多く含む枯造とするのが良い。

瞳面を通過した正反射光および検知反射光はリレーレン
ズ１９．瞳の結ｆ象レンズ２１を通過し、正反射光はフ
ィルタのストッパー２３ａ　　上に結１象して遮光され
る。そして正反射光以外の光は）・ｆルタリングされる
こと外〈フィルタを通過し、レンズ２２を介してフォト
・ディテクター２４で受光される。ここで傾斜部の情報
はフォト・ディテクターに伝達、され、しかも正反射光
といったフレア分も除去されるため十分にコントラスト
の高い情報を得られるので、フィルタリング以降の電気
処理に都合が良い。また光電検出を行う領域はあらかじ
めスキャナーの位ＩＨをアライメントマークに対してセ
ットしておくことで適切に選ばれる。

次に２５は観察用光束を導出するための半透鏡で、２６
はコレクターレンズ、２７はアイピースである。観察者
はアイピース２７．コレクターレンズ２６を介して物体
の空中像１０′を明視野として観察できる。

第３図の実施例は、スキャンナーを使用する代りに撮像
管で受光した情報を基に電気的に処理しようとするもの
である。ここで、対象物体１０は例えばフォトレジスト
を塗布したウェーハで、１０ａけアライメント・マーク
、３０けマスクでアライメント・マーク３０　ａはマス
ク板に穿たれた開口である。なお、マスクはウエーノ・
から数十ミクロン程度離されているものとす冬。

３２は第２のリレーレンズ−３３は撮像管、３４は、撮
像管３３で検出したウェーハのアライメント・マークと
マスクのアライメント・マークとの差情報を電気信号に
変換するための電気回路。３５は、回路３４からの出力
信号で作動するサーボ機構で、出力信号が所定の条件に
なるまでウェーハ１０を移動する。また他の付番は第３
図の場合と同様の部材である。なお光源の波長はレジス
トを感光させない範囲であり、捷たここでは光源を１度
結像させることなく、直接ランプを光源としている４、 レンズ１７は光源１３を対物レンズ１１の瞳１２に結像
させ、瞳は対物レンズ１１の前側焦【一 点位置である。ここでもやはり光源は瞳上にパーシャリ
−・コヒーレントになる様に結像され、そのウェーハに
よる正反射像は瞳１２の共軛面上に置かれたストッパー
２３ａで除去される。またウェーハ１０の像は撮像管３
３の受光面上に結像されて電気的処理が行われる。

この方法の特徴はフィルタでカットするまでの光は、従
来アラ、イメン）Ｋ用いられてきた光と同質であるとい
う点にある。従ってレンズ１９の前または後にビームス
プリッタ−を配置して、その分割反射光を観察系に導け
ば観察系では従来のアライメント観察系で観察していた
像と全く同じものを見ることが可能である。観察系の視
野は通常の明視野であり、電気処理系のための光学系は
フィルタリングにより正反射光をカットしてコントラス
トを上げることが可能である。

なお、撮像管３３の代りにフォト・ディテクターのアレ
イやＣ，Ｃ，Ｄ、を設けてもよく、このフォト・ディテ
クターの列を端から順に走査すれば良い。

更にアライメント・マークの構造によっては、必ずしも
走査する必要はなく、複数のフォト・ディテクター間の
受光量の相違でウェーハとマスクのずれを検知する方法
でも良い。

第４図は、第２図の実施例を使用したアライメント装置
を示している。通常アライメント・・マークはアライメ
ントの正確を期するためウェーハ上に複数個設置される
ことが多く、平行方向の２自由度と回転の１自由度を拘
束するため最低２個は必要である。

図中で、１０は半導体ウェーハであり、１０ａと１０ｂ
は各々アライメント・マークである。３０はマスクで、
３０ａと３０ｂは各々アライメント・マークである。３
６は、ウェーハ１０を固定し且つ位置を移動するための
平行移動台で、Ｘ方向、Ｙ方向の直線状移動と回転Ｒが
可能である。

また１０１．１０２・・・・・・はウェーハ１ｏ上に既
に複写されている回路実素子である。３０１，３０２・
°゛はマスクｌＯ上に形成されている、仁れから焼き付
けられるべき実素子パターンである。

一方、符番１１から２８までで示される系は第２図で構
成を説明したものと同一であるが、ここでは同等の系（
ｌｌａ〜２８ａ）をもう１つ配置する。また２８は全反
射鏡で、光軸を曲げるために配置した。更にこの装置で
は、対物レンズ１１或いは１１ａ、絞り１２或いは１２
ａそして全反射鏡２８或いは２８ａは一体で平行移動が
可能で、アライメント・マークの配設位置或いはウェー
ハの寸法に応じて半透鏡１８或いは１８ａへ近づけ或い
は遠ざけることができる。ただし、対物レンズ１１とｌ
ｌａの位置を調整して移動したときは光源（絞り１４の
ピンホール）と入射瞳（絞り１２）が必ずしも共範関係
を満さなくなるが、これはレンズ１９の位置を微少量移
動して調節すればよく、実用上は光源から入射瞳に至る
結像光学系のＦナンバーを暗くすればレンズ１９を移動
しなくても不都合が起こることは少ない。

また入射瞳（絞り１２）とフィルタ２３はレンズ１９と
レンズ２１を介して互いに共範となっているが、この場
合も対物レンズの移動によって正確な共範関係にならな
い場合がある。

しかしこのときは、入射瞳からフィルタ２３への結像倍
率を小さくしておけばこの共範関係の崩れは実用１殆ん
ど問題にならないし、フィルタ上のストッパーの寸法は
予めズレの分まで考慮して決定できる。なお、レンズ２
１の位置を移動して共範関係の調整を行っても良い。

この種の配置をとるマスクアライナ−は、マスクとウェ
ーハを接触させた状態で焼き付けを行う若しくはマスク
とウェーハを数十ミクロン程度の微少距離はなした状態
で焼き付けを行う装置に適用される。第４図中には焼付
用照明装置を示していないが、周知の如くマスクの上方
に照明装置が配備される。

符番１１から２８そしてｌｌａから２８１でで示すアラ
イナ−は、焼き付は時には光路から配置されており、ア
ライメント時に図示の様な位置まで移動される。なお、
通例の装置ではマスクが焼付装置本体に固定されていて
、ウェーハを移動して位置合わせをする構造であるから
、この実施例でのその方式を踏襲して説明する。

先ず対称レンズ１１とｌｌａがアライメント・マーク３
０ａと３０ｂを各々見込む位置にくる様に配備する。光
源１３・１３ａからの照明光は絞り１２・１２ａの面上
ヲハーシャリー・コヒーレントに照明し、対物レンズ１
１・口」を介して、マスクのアライメント・マーク３０
ａ・３０ｂを含む様にそしてウェーハのアライメント・
マーク１０ａ・１０ｂを照明する。そしてマスクのアラ
イメント・マークの周辺面およびアライメント・マーク
面で垂直反射した照明光束の主光線である正反射光そし
て検知区射光は、第２図に説明した様な挙動をとってフ
ィルタ２３・２３ａで遮光或いはフォト・ディテクター
２４・２４ａで受光する。不図示のサーボ機構はこの受
光したウェーハとマスクとの位置の差を表わす情報に基
づいて作動し、平行移動台３６はＸ方向・Ｙ方向に平行
移動およびＲ方向に回転して差情報が所定の条件を充す
までウェーハの位置をずらすものである。

なお、第２図に示した様にレンズ１９・１９ａとスキャ
ンナ−２０・２０ａの間に＃−透鏡を配置し、光束を導
出して直接目で観察することは勿論可能である。

フィルタリング光学系は第２図、第３図に示した以外に
も種々変形できる。また第２図ではスキャニングの後に
フィルタリングを行ってもよく、スキャンナーの形式に
しても対称物体からの光束を受ける走査空間を時系列に
従って光を透過させて走査する透過型と光を別方向に反
射で取り出して走査する反射型圧大別でき、透過型でも
単にスリットを移動させるもの或いはファイバー列で走
査するもの、プリズムを回転するものなどが知られてい
る。

然し、前記実施例に従う最も重要なことは、瞳上をパー
シャリ−・コヒーレントに照明してその瞳上の光源像を
フィルタでカットすることである。また明視野観察系を
用いることができるので、マニュアル調整のアライナ−
として使えることも利点の一つである。

第５図は、マスクの像を投影光学系を介して感光層へ投
影する焼付装置に本発明を適用した例を示している。図
中で、４０は投影レンズで、説明の便宜上前群４０ａと
テレセントリックの後群４０ｂＫ分けて示す。４１はこ
の系の瞳位置、４２はウェーハの感光面、４３はフォト
マスクであって、感光面４２とマスク４３は投影レンズ
４０に関して共範である。４４は光源、４５はコンデン
サーレンズで、コンデンサーレンズは光源のｒ象を瞳４
１上に形成する、このとき光源像の大きさと瞳の大きさ
の比は０，１〜０．４程度にするのが最も良く前述した
バーシャリ−・コヒーレント照明である４６はビーム・
スプリッターで、番号１１〜２７までで構成された検知
、観察用光学系と一体化されていて、アライメント時に
マスク４３とコンデンサーレンズ４５０間の光路中に挿
入する。４７はフィルタで、光源４４の光の内で感光層
を感光させる領域の波長をカットする。

°　次に作用を説明する。光源４４を射出した光は瞳４
１上に結像し、更に投影レンズの後群４０過 すを通侍してその主光線が光軸に平行になり、面４２へ
入射する。面４２は既に前回の焼付・処理によって微細
構造が形成され、その上へ感光材が塗布されており、こ
の面で反射した光社面４２と共範なマスク４３上・に重
なって４２′に結像する。

対物レンズ１１にはウェーハの面の像４２′とマスク４
３が対象物体に相当し、マスク４３および面４２からの
主光線（細線で示す）は゛対物レンズ１１の後方で結像
する。これは前述の正反射光に相当する。

フィルタリングはこの位置で行っても良いが、観察系の
ニレター２６とアイピース２７はこの位置より後方にあ
るため観察系への導光用ビーム・スプリッターｚ５より
後方に配置した。なお、フィルタリングした後で、像観
察を行えば暗視野を覗くことになる。

一方、リレーレンズ１９と対物レンズ１１はマスク４３
とウェーハの像４２′をスキャンチー２０上に結像する
。仁のスキャンナー２０はマスク４３とウェーハの像４
２′を走査し、走査された光束は臘の結像レンズ２１へ
入射すると、正反射光はストッパー２３ａの遮光する領
域内に収斂する。

Ｌ：　１．；［ｆこ 従ッてレンズ２２４今正反射光の除かれ作中−２４はス
キャンナ−２０の走査に従って物体に関する情報を出力
し、マスク４３とウエーノ為４２の位置的なずれが検知
される。

第６図は対物レンズ１１の直後にフィルタ２３を配置し
た部分図で、対象物体の像をスキャンナ−２０が走査す
る以前で正反射光を除去する光学配置例である。

以上本発明は、実施例に即していえば入射光に対して異
った影響、正反射光と検知反射光を与える少なくとも２
種類の領域を持つ検知対象物（ウェーハ、マスク）Ｋ対
して、例えばテレセントリック光学系を配置しこの光学
系の瞳に相当する面をパーシャリ−・コヒーレントに照
明することで前記各々の領域に入射した光束は異なった
挙動で分離する光束を投射し、前記検知対象物からくる
光束を結像せしめ、この結像面（瞳面）若しくはその共
範面に遮光物を配置して雑音光を除去するものである。

本発明によればフレアの成分が除去できまた薄膜干渉の
影響を受ける仁とがないばかりでなく、フィルタリング
以前の光路を分岐して観察光学系に導けば、普通の顕微
鏡視野の如く明視野の観察が可能であるから、光電検知
処理および肉眼観察を同時に行う場合に極めて有益な発
明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基礎なる光学配置と現象を説明するた
めの断面図。第２図は本発明の一実施例を示す断面図。 第３図は第２図実施例の変形例を示す断面図。第４図は
第２図の実施例をマスク焼付装置のアライナ−として使
用した場合の断面を含む斜視図。第５図は別の実施例を
示す断面図。第６図は第５図実施例の一部分を変形した
部分断面図。 図中で、１ヒｌＯ・・・・・・検知対象物或いは半導体
ウェーハ、１１と１２・・・・・・落射光学系のニレセ
ントリックレンズと絞９．１３・・・・・・光源、２０
・・・・・・スキャンナー、２３ａ・・・・・・フィル
タ２３のストッパー、２４・・・・・フォト・ディテク
ター、３３・・・・・・撮像管、３０・・・・・・マス
ク、３０ａと３０ｂ・・・・・・各々マスクのアライメ
ント・マーク、１０ａと１０ｂ・・・・・・各々ウェー
ハのアライメント・マーク。 出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　はぼ同一の方向から入射する光に対して異な
   った進行方向をそれぞれ与える少なくとも２種類の領域
   を有する物体に対して配置した対物光学系と、前記対物
   系の片一方の焦点位置付近にある瞳位置にその瞳の有効
   径よりも小さい大きさの光束を形成する照明装置と、前
   記瞳位置と共軛な位置に設けた前記対象物体の特定の種
   類の領域からの光束のみを選択的に透過させる遮光手段
   と、前記遮光手段を通過した光束を検知する手段とを含
   む事を特徴とする物体の像認識装置。