JPS59104128A - ２重回折格子による位置合せ法および位置合せ装置 - 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、半導体ＩＣ＋ＬｓＩを製造するための露光装
置やバタン評価装置等に用いられる位置合せ法およびそ
の実施に使用される位置合せ装置に関するものである。

半導体ｒｃやＬＳＩの微細化に伴い、マスクパタンをウ
ェハに一括して、もしくけステップｅアンド・レビート
方式によってＨ光転写する装置において、マスクとウェ
ハとを互いに高精度に位置合せする技術の進展は不可欠
のものとなっている。

従来紫外線露光装置等におけるこの種の位置合せは、マ
スクとウェハにそれぞれ位置合せマークを作製し、それ
らのマークを顕微鏡等で拡大投影してマスク上のマーク
とウェハ上のマークとがびったシ一致するようにマスク
もしくはウエノ・を移動する方法によって行なわれてき
たが、この方法で達成できる位置合せ精度は±０．２μ
ｍ程度であるため、サブミクロンパタンを露光・転写す
るための位置合せ法としては不適当であった。そこで、
例えばＪ、　Ｖａｃｅ　Ｓｃｉ、　Ｔｅｅｈｎｏｌ、　
ｒ　ｖｏｌ、１９　ｅＮｎ、　４　ｅ１９８１、　ｐ２
１４で紹介されているように０．１ｆｉｍ以下の位置合
せを目的として２重回折格子を用いた位置合せ装置の開
発が進ぬられてきた。

第１図に、このような装置の一例を示す。すなわち、同
図においてレーザ光源１から発したコヒーレント光は平
面−２によって方向を変えられ、真空吸着マスクホルダ
３によって保持されたマスク４の上に作製されているマ
スクマーク５に垂直に入射し通過した後、移動テーブル
６の上に保持されたウェハ７の上に作製されているウェ
ー・マーク８で反射され再度マスクマーク５を通過する
。

ここで、マスクマーク５、ウェハマーク８はいずれも回
折格子を構成し、第２図に拡大して示すように前者は透
過形で、マスク４を構成する石英等の透明基板もしくけ
透明薄膜９の上にＣｒやＴ１等の不透明薄膜１０により
回折格子バタンを形成したもの、後者は反射形でウエノ
・７の上に無反射薄膜１１によシ回折格子バタンを形成
したものである。

これらマスクマーク５およびウエノ・マーク８により回
折された光は、入射光に対してθ＝ｓｉｎ’ｍλ （１乙２　　）（ｍ＝ｏ、±１．±２、−）の方向での
み強くなり、ｍの値によってｍ次の回折光と呼ばれてい
る。外お、λは光の波長、Ｐは回折格子のピッチである
。

そこで、これらの回折光のうち例えば＋１次回折光と一
１次回折光のみを光電変換器１２．１３で受け、各光強
度１＋、ＩＩ、を光電変換し、その光強度の差Δ■を信
号処理制御部１４によって算出する。第３図に、波長λ
が０．６３２８μｍ１両回折格子のピッチＰはともに等
しく４μｍで、かつピッチに対するマスクマーク５の透
明部の長さａｌの比およびウェハマーク８の反射部の長
さａ２の比Ｙが０．６の場合について、マスク４とウェ
ハ７との間のギャップ２を１２．２μｍから１３．０μ
ｍまで変動させた際のマスク４とウエノ・Ｔの上の回折
格子マークの相対位置ずれ量ｄに対する光強度の差ΔＩ
の変化を示す。図において、（イ）が２を１２．２μｍ
とした場合、（ロ）が１２．４μｍ５（−うが１２．６
μｍ１　に）が１２８８μｍ１（ホ）が１３，０μｍと
した場合を示す。また、第４図は他のクコ件は第３図と
全く同じでギャップ２のみを２４．８μｍから２５．６
μｍまで菊動させた際のΔ■の変化、すなわち（イ）が
２４．８μｍ１（ロ）が２５．０μｍ、（ｚうが２５．
２　ｔｒｍ　、　に４が２５．４μｍ％（ホ）が２５．
６μｍとした場合の変化を示す。

第３図および第４図から明らかなように、Δ工は、回折
格子のピッチＰを同期として同じ波形を繰り返し、２つ
の回折格子マークがびったシ一致したとき（ｄ＝ｏ）と
、２つの回折格子マークの相対位置ずれ量ｄがＰ／２の
ときにギャップにかかわらず零とガる。したがってこの
点で位置合せが可能であり、Δ■の値が零になるように
移動テーブル６を移動制御して位置合せを行なっている
。

しかしながら、両図から明らかなようにΔ！は２つの位
置ずれｆｔｄＫ対して山や谷を多く含んだ複雑な曲線と
カシ、特に第３図のギャップ条件ではｄがＯ、Ｐ／２以
外の点でも零となる。このように曲線形状が複雑なため
ｄ　＝０　、　ｄ　＝Ｐ／２のいずれの位置で合ってい
るか判定することがきわめて因数であり、しかも多点で
零となシ、特ｋＺが１２．４μｍ　ｅ　１２−８　μｍ
のギャップ条件ではｄが０゜Ｐ／２の近傍において零と
なるのでこの位置で位置合せされる可能性もあシ位置合
せ精度を大きく低下させる。とのため不安定で低精度の
制御しか外し得々い。さらに、いずれの場合もギャップ
の微小な変化によっても曲線形状は大きく変化するため
、正確な位置合せを行なうためにはギャップをきわめて
正確に設定し、しかもその変動がきわめて小さい状態に
保持しなけれげ々らない欠点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その
目的は容易に高精度の位置合せを行なうことが可能力２
重回折格子による位置合せ法およびその実＃ｉＶｃ使用
する位置合せ装置を桿伊することにある。

このような目的を達成するために、本発明による位置合
せ法は、２重回折格子に対して光を斜めに入射させ、プ
ラスとマイナスの同次数の回折光強度を演算処理した結
果によって両物体の相対位置ずれ量を検出するものであ
る。また、本発明による位置合せ装置は、回折格子に斜
め入射する光の入射角を調整する手段と、回折光強度を
検出する手段と、その検出信号に応じて移動テーブルに
制御信号を送出する信号処理制御手段とを設けたもので
ある。

以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第５図は本発明の一実施例を示す位置合せ装置の構成図
であり、レーザ光源１、マスクホルダ３、マスク４、透
過形回折格子からなるマスクマーク５、移動テーブル６
、ウェハＴ１反射形回折格子からなるウェハマーク８、
光電変換器１２，１３、信号処理制御部１４けそれぞれ
第１図と同様である。さらに１５は平面鏡、１６，１７
，１８は球面鈴、１９Ｆｉギヤツプセンサ、２０は入射
角度制御部、２１け平面鏡１５を傾斜させる傾斜装置で
ある。

第５図において、レーザ光源１から発したコヒーレント
光は傾斜角を任＊に設定できる平面鏡５によって方向を
変えられた後、球面鐘１６によりその入射角にかかわら
ず常にマスク４の上の同一点に斜め入射される。貞空嘔
着マスクホルダ３によって保持されるマスク４の上ＫＦ
！作されたマスクマーク５に入射した光は、移動テーブ
ル６の上に保持されるウェハＴの上に製作されたウェハ
マーク８で反射され、再度マスクマーク５を通過する。

この両回折格子によって回折された光のうち、＋１次と
一１次の回折光のみをそれぞれ球面鐘１７゜１８で反射
し、光電変換器１２ｉ３でその光強度を電気信号に変換
する。次に、信号処理制御部１４で＋１次回折光強度■
＋１と一１次回折光強度Ｉ−１の減算処理もしくけ加勢
処理を行ない、減算結果ΔＩ＝Ｉ＋、−Ｉ−１が零、も
しくは加算結果Σ■＝■、、＋Ｉ、が最小値に々るよう
蹟移動テーブル６を動作させて位置合せ制御を行なう。

マスク５とウェハ１との間のギャップ２は、ギャップセ
ンサ１９で測定し、マスクホルダ３もしくは移動テーブ
ル６の中に組込まれた図示しない２軸駆動部によってマ
スク４もしくはウェハ７を上下方向に動かして設定する
。首た入射角αは、回折格子のピッチやギャップ値に応
じて入射角度制御部２゜で算出し、その結果を傾斜装置
２１にフィードバックして平面鉦１５を所定の角度に動
作させ設定する。すなわち、これら平面鏡１５、入射角
度制御部２０および傾斜装置２１が回折格子に斜め入射
する光の入射角を調整する入射角調整手段としての機能
を果している。

第６図に１波長λが０．６３２８μｍ１両回折格子のピ
ッチＰはともに４μｍと等しくかっピッ’Ｆ−ＰＫ対す
るマスクマーク５の透明部の長さａｌおよびウェハマー
ク８の反射部の長さａ２比ｒが０．６の場合について、
入射角αを２．２７°としてギャップ２を１２．２μｍ
から１３．０μｍまで変動させた際の、マスク４とウェ
ハ７の上の両回折格子マーク間の相対位置ずれｆｌｅｄ
に対する光強度の差Δ■の変化を示す。すなわち、本実
施例は光入射角αを２．２７゜としたほかは第３図の場
合と全く同一の条件としたもので、第６図において０）
、（ロ）、ｅう、に）、（ホ）はそれぞれ２を１２．２
μｍ、１２．４μｍ　、　１２．６μｍ。

１２．８μｍ　、　１３．０μｍとした場合に対応する
ことも第３図と同様である。

第６図から明らかなように、本実施例によれば特性曲線
はｄがＰ／４と３Ｐ／４のときにΔｘ＝ｏの軸を横切騨
純な曲線となシ、この横切る点で位置合せが可能となる
。したがって、ΔＩの正負の判定を行ないつつΔＩが零
に近づくように移動テーブル６を動かし、零点で停止す
る簡単な制御方法によって位置合ぜを行なえる利点があ
る。また、零点を横切る曲線の傾きが大きいために、第
３図に示した垂直入射の場合に比較してきわめて高感度
の検出を行なえる利点がある。さらに通１μｍのギャッ
プ変動に対してもｇｈ線形状Ｆｉはとんど変化しないた
め、ギャップの設定が容易である。特にλ２／ｐ！＝　
ｎ　＋　１／２　（ｎ　Ｊ”ｌ：整数）を満たすギャッ
プｚ１２Ｐｇ石α／λ＝ｎ＋１／２　（ｎは整数）を満
たす入射角αのとき、曲線の形状は最も単純如なシ、ギ
ャップ２の変動に対する曲線形状の変化も最も小さくな
るので、この条件で最も高精度の位置合せが可能である
。

第７図は、入射角αを４．５４°とし、その他の波長λ
、ピッチＰおよび比ｒの条件を第６図の場合と同様にし
てギャップ２を２４．８μｍから２５．６μｍまで変動
させたときの相対位置ずれ景ｄに対する＋１次の回折光
強度Ｉ＋、と−１次の回折光強度■−１の和ΣＩの変化
を示す。すなわち、本実施例は光入射角αを４．５４°
とし、かつ±１次回折光強度の差ではなく和をとった点
を除いて第４図の場合と同様て、（イ）、（ロ）、　ｒ
ｉ　、に）（川はそれぞれ２が２４．８μｍ、２５．０
μｍ、２５．２μｍ１２５．４μｍ、２５．６μｍの場
合を示す。

第７図から明らかなように、本実施例によれば特性面１
ｍは１周期内に唯１回の最小値をもつ単純な曲線となる
。したがって、ΣＩが小さくなるように移動テーブル６
を移動させ、最小点にきた時に停止するというきわめて
簡単な制御方法によって位置合せを行なうことが可能で
ある。また、約１μｍのギャップ変動に対しても第４図
に示したΔ工曲線と異なシ曲線形状の変化はほとんどな
いため、ギャップ設定にさ＃１どの厳密さを要求されず
に高精度の位置合せが行なえる利点がある。曲線の形状
はλＺ／Ｐ”＝　ｎ　（ｎ　：整数）を満たすギャップ
２のときに最も単純となり、しかも最小値からの立上漫
の急峻な形状となる。さらにギャップ２の変動に対する
曲線形状の変化もこのときに最小となる。したがって、
この条件下では単純な制御方法で最も高感度で高精度の
位置合せを行なうことができる。なお、ギャップ変動が
１μｍ程度と小さい場合にはギャップ変動による最小点
の移動は１／１１００Ａ以下にすぎず実用上問題となら
ないが、ギャップ変動が大きい場合には、ギャップ２に
応じて２　Ｚｓｌｎα／Ｐ＝　ｎ　（ｎ　＠整数）を満
たすような入射角αを入射角制御部２０で舞−山し、傾
斜装［２１をフィードバック制御して平面鏡１５の角度
を変えることにより、最小点移動のない単純形状の曲線
を得ることができる。このようＫしてギャップ変動に無
関係に高精度位置合せを行なえる利点がある。

第８図（ａ）は、本発明を電子銃２２から電子ビーム２
３を射出しＸ線ターゲット２４にあてて生じるＸ線２５
を用いたＸ線露光装置に適用した場合の一実施例を示す
位置合せ装置の正面図、同図（ｂ）は側面図である。図
中破線で示した垂直入射の場合には、図示しない光源か
ら発した光の進行方向を賛える平面鏡２６は、Ｘ線ター
ゲット２４の回転振動が伝達される露光パイプ２７との
接触をＪもけるためこの露光パイプ２７から相当に離し
て設ける必要があり、このために位置決め用のマスクマ
ークダおよびウェハマーク８′は第８図（ｂ）に示すよ
うに露光バタン２８から相当に離して設置せざるを得な
い。本来露光バタン２Ｂの位置決めが目的であるから位
置決め用のマークはできるだけ露光バタン２８に近接し
て設けることが猪首しいことは明らかである。本発明に
よる斜め入射によれば、平面９２９．３０を露光パイプ
２７から十分に離れた位置に設置でき、しかも位置決め
用のマーク５，８は露光パイプ２７にぎりぎり、すなわ
ち露光バタン２Ｂに近接して設けることができるため、
よシ高精度のバタン合せができる利点がある。

さらに第９図は、透過形回折格子３１のピッチＰ１と反
射形回折格子３２のピッチＰ２を等しくし、かつ透過部
の長さａｌと反射部の長さ１２のピッチに対する比率ｒ
を０．６とした２重回折格子を示す。この回折格子を第
５図に示した装置に使用し、上記比率ｒを変化させた場
合の相対位置ずれｉｄＫ対するΣＩの変化を第１０図に
示す。なお、波長λが０．６３２８μｍ１ピツチＰが４
μｍ１　入射角αが４．５４°であることけ第７図の場
合と同様であシ、ギャップ２は２５．２８μｍである。

また図中（イ）はｒが０．５の場合、（→は０．６、ｅ
うは０．７、に）け０．８、（ホ）は０．９の場合を示
す。

第１０図から明らかなように、ｒが０．６〜０．８の範
囲において最小点からの立上りが特に急峻となる。した
がって第７図のように透過部の長さＩＬｌと非透過部の
長さｂｌ、反射部の長さａ２と無反射部の長さｂ２を等
しくした（ｒ＝０．５）回折格子を利用した場合と比較
して位置合せ感度を数倍以上高くすることができる。さ
らにとのｒ　＝　０．６〜０．８の範囲では±１次回折
光の差ΔＩおよび和Σ■のいずれにおいても曲線形状の
変化が小さいため制御し易く、シかも零点もしくけ最小
点の移動量も小さくなるためギャップ設定が容易で高精
度の位置合せができる利点がある。

なお、上述した実施例では±１次の回折光を利用した場
合についてのみ述べたが、±２次、±３次等の回折光を
利用しても同様の効果がＫＭられる。

また、本発明は回折格子として２つとも透過形のものを
用いた場合にも同様に適用でき高精度の付値合せが実現
できる。さらにプラスとマイナスの同次数の回折光強度
の演算処理は上述した加算および減算処理に限定されず
、２乗和や差を利用することもできる。

寸だ、入射光としてはコヒーレント光を用いた例につい
てのみ説明したが、準部色光を片いてもほげ同様の効果
が得られる。

さらに、以上の説明は一軸方向の位置合せに限定して行
なったが、本発明けこれに限定されるものではなく、例
えば特ｖト１昭５３−３２７５９において説明されてい
るように直交する回折格子を１＃Ｉとして位置合せマー
クを形成すれば、ｘ　＋　ｙの２軸方向について同時に
位置合せするとともできる。

以上駁、明したように、本発明の２重回折格子による位
置合せ法によれば、光を斜め入射させるととにより、プ
ラスとマイナスの同次数の回折光強度に減勢”、加算等
の演算処理を施して得られる回折光強度の相対位檻ずれ
量依存曲線を山や谷のない単純な曲線とすることができ
るので、位置合せを高精度に行なうととができる。また
、本発明による位置合せ装置によれば、回折光の入射角
を任童に調整する手段と、回折光強度を検出する手段お
よびその検出信号を演舞処理しその結果に応じて移動テ
ーブルに制御信号を送出する手段を設けたことにより、
上述した位置合せ制御を容易かつきわめて高精度に行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の位置合せ装置を示す構成図、第２図はそ
の回折格子を示す詳細図、第３図および第４図はそれぞ
れ演算回折光強度の位置ずれ且゛依存曲線の一例を示す
図、第５図は本発明の一実施例を示す位置合せ装置の構
成図、第６図および第７図はそれぞれ演算回折光強度の
位置ずれ量依存曲線の一例を示す図、第８図（ａ）　、
　（ｂ）は本発明の他の実施例を示す位置合せ装置の構
成図、第９図は回折格子の他の構成例を示す図、第１０
図は回折格子の透過部１反射部の長さのピッチに対する
比率を変えた場合における演算回折光強度の位置ずれ量
依存曲線の形状変化を示す図である。 １・・・・レーザ光源、４・・・・マスク（第１の物体
）、５・・・・マスクマーク（第１の回折格子）、６・
・・・移動テーブル、Ｔ−・・・ウェハ（第２の物体）
、８・・・・ウェハマーク（第２の回折格子）、１２．
１３・・・・光電変換器（検出手段）、１４・φ・・信
号処理制御部、１５．２９’・・拳入射角調整手段を構
成する平面鐘、２０＃・・・同じく入射角度ｆｌｔｌｌ
　ｆ！！１１部、２１・・・・同じく傾斜装置、３１・
・・・透過形回折格子（第１の回折格子）、３２・・−
・反射形回折格子（第２の回折格子）。 特許出願人　日本電信Ｎ話公社 代　　理　　人　　山　　　川　　　政　　　樹（ａ） ８図 （ｂ） 手続補正書輸発） 特許庁長官殿　　　　　　　″″″５８．ず−１”１、
事件の表示 昭和５７年　特　許　願第２１３５７９号２、発明の名
称 ２重回折格子による位置合せ法および位置合せ装置３、
補止をする者 事件との関係　　　特　　　許　　　出願人名称（氏名
）　　（４２２）　日本電信電話公社−捕正什り一増加
ず−る一発明の数・・−・−５、補正の対象 （１）明細書の発明の詳細な説明の欄 （２）図　面 ６・補正の内容 （１）明細書第６頁第８行の「位置ずれ量」を「回折格
子マークの相対位置ずれ量」と補正する。 （２１同書第１１頁第３行の「通１μｍ」を「約１μｍ
」と補正する。 （３）同省同頁第７行のｒｎ＋１／２（ｎは整数）」を
「ｋ＋１／２（ｋは整数）」と補正する。 （４）　　同書同頁第１７行の「光」を「光の」と補正
する。 （５）同書第１２頁第１３行の「（ｎ：整数）」をｒ（
ｎは整数）、２Ｐｓｆｎα／λ＝ｋ（ｋは整数）」と補
正する。 （６）同書同負第１４行の「２のときに」を「２、入射
角αのときに」と補正する。 （７）同書第１５頁第４〜５行の「ｒが０．６〜０．８
の」を「ｒによって最小点からの立上りが変化し、ｒが
０．５より大きく０．７より小さい」と補正する。 （８）同省同頁第１０〜１１行の「このｒ　＝　０．６
〜０．８の」を「この」と補正する。 （９）同書第１６頁第３行の「差」を「２乗差」に補正
する。 （１（１図面の第２図を別紙の通り補正する。 以　　上 第２凹 ゛、　　　　　−′ ３−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の物体に設けた第１の回折格子と、第２の物
   体に設けた第２の回折格子とを一定のギャップをおいて
   重ね、これら第１および第２の回折格子にコヒーレント
   光もしくは準単色光を入射し、両回折格子によって生じ
   た回折光の強度の変化によって第１の物体と第２の物体
   の相対位置を検出して位置合せする方法において、前記
   コヒーレント元本しくけ準単色光を第１の回折格子に対
   して斜め入射し、かつ第１および第２の回折格子によっ
   て生じたプラスとマイナスの同次数の回折光の強度を演
   算処理し、この演算結果の変化によって第１の物体き第
   ２の物体の相対位置を検出することを特徴とする２重回
   折格子による位置合せ法。
2. （２）第１の物体と第２の物体とを相対的に位置合せす
   る装置において、第１の物体に設けた第１の回折格子と
   、第２の物体に設けた第２の回折格子と、これら第１お
   よび第２の回折格子を重ねて第１の物体と第２の物体と
   を相対的に動かす移動テーブルと、前記第１および第２
   の回折格子にコヒーレント光もしくＩ′ｉ準単色光を入
   射させる光源と、この光源から第１の回折格子に斜め入
   射する前記光の入射角をＨ周整する入射角調整手段と、
   第１および第２の回折格子によって生じた回折光の強度
   を検出する検出手段と、との検出手段による検出信号に
   応じて移動テーブルに制御信号を送出し第１および第２
   の物体を相対的釦動かして位置合せする信号処理制御手
   段とから構成したこ七を特徴上する２重回折格子を用い
   た位置合せ装置。