JPS59188920A - ２重回折格子によるギヤツプ・位置合せ制御法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体ＩＣやＬＳＩ　を製造するためｏｇ光
ｉｔやバタン坪価装置に利用されるギャップおよび位置
合せ制御法に関するものでおる。

〔従来技術〕

半導体ＩＣやＬＳＩの微細化に伴い、マスクパタンをウ
ェハに一括して、もしくはステップ壷アンド・レピート
方式によって露光Φ転写する装置において、マスクとウ
ェハを互いに高精度に位置合せする技術の確立は不可欠
であシ、とくにザブミクロンパクンを露光するＸ線露光
装置では、高精度位置合せとともに、マスクとウニへ間
のギャップを高精度で一定値に設定する技術の確立が欠
かせないものとなっている。

位置合せとギャップ制御を同時に行なえる技術として、
従来２重焦点レンズを用いた方法が開発されている。こ
れは、第１図囚に示すように２重焦点レンズ１の第１焦
点をウェハ２の上に作製されたウェハマーク３に、第２
焦点をマスク４の上に作製されたマスクマーク５にそれ
ぞれ合わせることによってマスク４とウェハ２との間の
ギャップを設定するとともに、同図（Ｂ）に示すように
ウェハマーク３全マスクマーク５でハサミ、マスクマー
ク５の中心にウェハマーク３がくるようにウェハ２とマ
スク４を相対移動し、位置合せするものである。

しかしながら、この方法ではギャップ設定のために２重
焦点レンズを用いておシ、レンズには１μｍ程度の焦点
深度があるため、高精度のギャップ設定は行々えない欠
点があった。また、レンズ口径は無限に小さくはできな
いため、ステップ・アンド・レピート方式によって露光
領域が小さくなると露光領域から離れた位置合せマーク
を利用せざるを得ない。このため、ウェハの周辺部まで
露光することができず、露光可能領域が小さいという欠
点があった。さらに、このような光学的方法では、位置
合せ自体の精度も±０．１μｍ程度で超微細パタンの転
写には問題があった。

一方、位置合せ精度の高度化を図るものとして、Ｊ−Ｖ
ｏｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、、Ｖｏｉ、１９．Ｎｏ
。４＋Ｐ２１４９１９８１で紹介されているように２重
回折格子を用いた位置合せ法が開発された。

第２図（４）に、このような２重回折格子を用いて位置
合せする装置の一例を示す。図において、レーザ光源６
から発したコヒーレント光は、ミラー２で方向を変えら
れ、真空吸着ホルダ８によって保持されるマスク４の上
に作製されたマスクマーク５に入射、通過後、粗調ステ
ージ９の上の微調ステージ１０の上に保持されるウエノ
・２に作製されたウェハマーク３で反射きれ、再度マス
クマーク５を通過する。

マスクマーク５、ウェハマーク３は回折格子パタンであ
シ、第２図（Ｂ）に示すように前者は透過形で、石英ガ
ラス等の透明基板もしくは５ｉｓＮ＋等の透明薄膜１１
の上にＣｒやＴｉ等の不透明薄膜１２によシ回折格子バ
タンを形成したもの、後者は反射形で、ウェハ２の上に
無反射薄膜１３によシ回折格子パタンを形成したもので
ある。

これらマスクマーク５およびウェハマーク３によシ回折
された光は、入射光に対してθ＝ｓｉｎ−１ｍλ （Σ石）　（ｍ　＝　ｏ　ｒ±１．±２．・・・・・・
・・・）の方向でのみ強くなシ、それらはｍの値によっ
てｍ次の回折光と呼ばれている。なお、λは光の波長、
Ｐは回折格子のピッチである。これらの回折光のうち、
入射光に対して対称的な方向に回折された＋１次回折光
と一１次回折光のみを光電変換器１３，１４で受け、各
回折光強度’＋１ｒＩ−１を光電変換し、その減算強度
ΔＩ＝Ｉ十□−ニー□の変化を検出することによって位
置合せを行なう。すなわち、この減算強度Δ工は、回折
格子のピッチＰを周期として同じ波形を繰返し、２つの
回折格子がびったシ一致したとき（相対位置ずれ量ｄ＝
０）と、２つの回折格子の相対位置ずれ量ｄがＰ／２の
とき、マスクとウェハ間のギャップ２にかかわらず零に
なる。

したがって、通常Δ■が零になるように微調ステージ７
を移動させて位置合せｔ行表っている。一方、ギャップ
の設定は、マスク周辺に作製した容量形ギャップセンサ
１６を用いてギャップを測定することによって行なって
いる。

ところが、この相対位置ずれｉｄに対するΔＩの変化曲
線は、ギャップＺが微小変動することによって犬きく変
化する。例えば、第３図は波長λ＝０．６３２８μｍ％
　ピッチＰ　＝　ｉ−ｉμｍ、入射角α＝０８（回折格
子に対して垂直入射）の場合について位置ずれ量ｄに対
する減算強度Δ工の変化を示したものであるが、同図（
４）に示したギャップＺ　＝　２０．０２μｍの場合に
対し、同図ωンのＺ　＝　２０．０５μ。の場合の曲線
は山や谷を多く含み、しかも多点で零点を横切る。この
ため、位置合せ制御はむずかしく、高精度を保証できな
い。高ｎ度位置合せのためにはＺ　＝　２０．０２μｍ
の条件のΔ工曲線を用いればよいが、このためにはギャ
ップをきわめて正確に設定し、しかも変動をきわめて小
さく抑えなければならガい。また、ウェハもしくはマス
クの平面度が悪い場合には、マスク周辺でギャップ測定
を行なっているところから、ギャップセンサ１６によ）
正確にギャップを設定してもマスク−ウニ八両マ−り間
のギャップは必ずしも適正値に設定できない欠点があっ
た。

〔発明の目的卦よび構成〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであシ、
その目的は、ギャップ制御と位置合せ制御とを同時にか
つ高精度に行なうことが可能な２重回折格子によるギャ
ップ・位置合せ制御法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、２重回折
格子に入射する光の入射角を周期的に変動させ、入射光
に対して対称的な方向に回折された同次数の回折光の減
算強度を入射角について積分して得た積分強度の変化に
よってギャップ制御を行なう一万、上記同次数の回折光
の加算強度の変化によって位置合せ制御を行なうもので
ある。

以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

第４図は、本発明の一実施例を示す位置合せ装置の構成
図であシ、２はウェハ、３はウェハマーク、４はマスク
、５はマスクマーク、６はレーザ光源、８はマスクホ／
ｖダ、９は粗調ステージ、１０は微調ステージ、１４，
１５は光電変換器、１γ。

１８．１９は球面ミラー、２０は入射角振動子、２１は
信号処理制御部である。

上記構成において、レーザ光源Ｇから発したコヒーレン
ト光は、ガルバノメータや光偏向素子等からなる入射角
振動子２０によって周期的に光線の方向が振られ、球面
ミラー１Ｔによって反射されて、真空吸着マスクホルダ
８によって保持されるマスク４の上の同一点に入射する
。マスク４の上に作製された第２図（Ｂ）に示したと同
様のマスクマーク５に入射し、た光は、微調ステージ１
０の上に保持されるウェハ２の上に作製された同じく第
２図１１１Ｉ３）に示したと同様のウェハマーク３で反
射され、再度マスクマーク５を通過する。

ウェハ・マスク両マーク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ミラー１８
．１９で反射し、光電変換器１４゜１５で光強度を電気
信号に変換する。次に、信号処理制御部２１で＋１次回
折光強度Ｉ＋、から−１次回折光強度ニー□を減算し、
その絶対値ΔＩ＝ｌＩ情−Ｌ□１を求める。この減算強
度ΔＩは、入射角αの、θ°を中心としたーΔα〜Δα
の周期的変化にる。この積分強度Ｔは、後述するように
マスク４とウェハ２との間の竿＃ギャップ２と一定の関
係を有するから、この積分強度Ｔが零となるように、微
調ステージ１０に組込まれた２軸微調整機構によってウ
ェハ２を上下方向に動かすことにより、ギャップ制御が
行なえる。同時に一定の入射角の場合について、＋１次
回折光強度工刊と一１次回折光強度Ｉ、’ｉ加算する。

この加算強度Σ■は後述するように相対位置すれ量ｄと
の間に一定の関係を有するため、この加算強度ΣＩ−■
＋１＋Ｉ−０が最小になるように５微調テーブル１０を
移動することによシ、位置合せ制御を行なうことができ
る。

なお、入射角αは、入射角振動子２０を振Ｗａノさせる
ことによって００を中心に−ΔαからΔαまで変動、−
１ｍλ させるが、Δαがｓｌｎ　　　（１，、）（ｍは整数）
に近い値のときに、ギャップ設定値近辺における相対位
置ずれ景ｄに対する積分強度曲線の変化は最も小さく、
高精度の制御が可能である。したがってΔαは上記条件
を満たすように設定することが望ましい。

第５図は波長λが０．６３２８μｍ、ピッチＰが４μｍ
１中心入射角が０°で振動幅が±４．５３５°（この値
（ｄ上述した高′ｆｆ４度制御の条件ｆ満たずものであ
る）の場合について、マスクとウェハの相対位置ずれ量
ｄｋｏから２μｍまで変動させｌζ際のマスクとウェハ
間のギャップ２に対する積分強度Ｔの変化を示した図で
ある。図において、←）はｄ＝０μ０、←）は０．５カ
□、（ハ）は１．ＯＩｔ　ｐ、（ロ）は１．５．え７０
、ωつは２．０１ｔ］□の場合の演算結果を示す。

第５図から明ら≠・でように、積分強四″ＴｉｅれλＺ
／ｐ”　＝　ｎ　（ｎは整数）を満足する条件、すなわ
ち本例ではＺ勾２５．２８μｍ、５０．５７μｍ、・・
・・・・・のときに、相対位置ずれ量ｄにかかわらず零
になる。したがって、粗調ステージ９によってギャップ
を予め２５．２８μｉＴｌから５０．５７μｍの範囲に
入れておけば、微調ステージ１０を上方向もしくは下方
向へ移動し、Ｔが零になったときに移動を停止する簡単
な制御法によって、２５．３μｍもしくは５０．６μｍ
へのギャップ設定が行なえる。

この場合、上記２５．２８μｍから５０．５７μｍの範
囲の積分強度曲線には、複数の極小値がある。したがっ
て、上記設定値を見出すためには、一定の限界値以下で
の最小値を捜す必要がある。これに対し、第６図に示す
ように予め微調ステージ１０によってギャップを設定値
に対して±２μｍに入れておけば、単純に積分強度Ｔが
小さくなるようにギャップ２を制御することによって、
容易にギャップを設定することができる。すなわち、第
６図はギャップ設定値を２５．２８μ。とじてその付近
での設定値からのずれ量Δ２に対する積分強度Ｔの変化
を第５図に対し検出系の感度を上げて示したもので、こ
のように設定値付近±２．０μｍ程度の範囲では曲線は
設定値を最小点として単純な増加もしくは減少曲線とな
っている。

同様に第７図は設定値Ｚ　＝　２５．２８μｍ付近につ
いて検出系の感度をさらに上げて示したものであるが、
図から明らかなように設定値からのずれ量Δ２が−０，
１μｍから０８１μｍの範囲では＄ｆ分強度Ｔはずれ量
Δ２に対してほとんど直線的に増減している。したがっ
て０．０１μｍ以下の高精度でギャップ設定を行なうこ
とが可能であシ、シかもその制御法はきわめて簡単であ
る。

ギャップ設定値を袈えたい場合には、λＺ／Ｐ　”＝ｎ
（ｎは整１Ｂ、）を満たすことを条件に、コヒーレント
光の波長λを変更するか・マスク°ウェハ両マークの回
折格子ピッチＰを変更すればよい。

々お、ギャップの設定を行なった後に、周囲条件等によ
シギャップが設定値からΔＺだけずれた、　　　、必 場合、Δ２の正負判定は、積分強度Ｔ＝／　　ΔＩｄα
もしくはＴ＝、／ヨ。ΔＩｄαを求めることによって可
能である。すなわち、第８図は第５図と同一条件で積分
強ＫＴ′の変化を示したもので、（イ）〜（９はそれぞ
れ第５図と同様にｄ＝Ｑμｍ　＋　０．５１ｔｍ　＋　
１．０　μｍ　。

１．５ｆｉｍｅ　２．０４の場合に対応するが、積分強
度Ｔは、λｚ／ｐ”　＝ｎ　（ｎは整数）を満たす条件
、２＃２５．２８μｍ、５０．５７μｌ’ｎ”’−・問
　のときに相対位置ずれ量ｄにかかわらず零となＪ、ｄ
＝１μｍの場合を除いては、この点を境に正負が逆転す
る。積分強度Ｔ”も同様で、したがってＴ′もしくはＴ
“の正負判定を行なうことによってΔ２の正負判定を行
なうことができる。さらに、これの積分強度Ｔ′および
Ｔ″は、予め粗調によってギャップを設定値に対し±５
μｍ程度の範囲にいれておけば、直接ギャップ制御にも
利用できる。

次に、第９図は波長λ＝　０．６３２８μｍ１ピツチＰ
＝４μｍで入射角αを０°としたときの相対位置ずれ量
ｄに対する加算強度ΣＩ＝Ｉ。□十ニー□の変化を示し
たものである。図において、（イ）はギャップ２’ｉｔ
　２５．２８．ａｍｓ（ロ）は２５．４８１Ｌｍｓ（ハ
）は２５．６８μｍｓに）は２５．８８μｍ１←）は２
６．０８μｍとした場合を示すが、図から明らかなよう
にギャップがこのように変化しても曲線形状にはほとん
ど変化がなく、シかも１周期内に１回の最小値もしくは
最大値をもつ単線な曲線となるので、ギャップ設定が容
易であシ、簡単な制御方法でｄ＝Ｑの最小値点もしくは
ｄ＝Ｐ／２の最大値点で高精度の位置合ぜが行なえる。

曲線の形状はλＺ／Ｐ”＝ｎ（ｎは整数）を満たすギャ
ップのときに最も単純な形状となシ、ギャップλＺ／ｐ
２＝ｎ　（ｎは整数）に一致しているため、マスク・ウ
ェハ両マークによる回折光強Ｋ　Ｉ＋１　ｐ■−１を検
出し演算処理して得た信号にょシギャップと位置合せを
同時に高精度に制御できる。

なお、上述した実施例ではマークに光線を垂直に入射さ
せて位置合せを行ない、またその角度を中心にして変動
させてギャップの制御を行なう場合について説明したが
、本発明はこれに限定されるものではなく、２Ｐｓｉｎ
α／λ−ｍ（ｍは整数）を満たす角度で斜め入射させ、
かつその近傍で振らせても、上述したと全く同様にギャ
ップと位置合せを同時に制御できる。また、上述した実
施例では１次回折光を利用した場合について述べたが、
２次あるいは３次以上の回折光を利用しても同様の効果
が得られる。

以上、１つの２重回折格子マーク（上下１つずつのマー
ク）を用いた例について述べたが、特開昭５３−３２７
５９において説明されているようにＸ、ｙ軸方向の互い
に直交する２重回折格子マークを１組として設ければ、
Ｘ、ｙ両軸方向について同時に位置合せ制御でき、さら
にもう１つのマークを設けることによりマスク−ウェハ
間の平行度をきわめて高精度に制御できる。

さらに、上述した実施例では入射角を振動して積分強度
によシギャップ設定を行なうと同時に、そのうちの一定
の入射角において位置合せを行なう方法について述べた
が、入射角を振動してギャップを設定し、次に振動を停
止して位置合せを行なうという作業を交互に繰シ返し行
なうことによシギャップ、位置合せ制御を高精度かつ簡
単に行なうことも可能である。

なお、レーザ光源から発するコヒーレント光の代シに準
単色光を用いても同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、２重回折格子に
入射する光の入射角を周期的に変動させ、対称方向に回
折された同次数の回折光を減算強度を入射角について積
分して得た積分強度の変化によってギャップ制御を行な
うとともに、当該同次数の回折光の加算強度の変化によ
って位置合せ制御を行なうことによシ、ギャップ設定に
利用した検出信号の一部を用いて高精度の位置合せがで
きるため、ギヤツブ設定１付置合せにそれぞれ別のセン
サや検出機構を用いる必要がなく、装置構造を簡単にで
きる。しかも、ギャップ設定と位置合せの最良条件が一
致し、設定ギャップにおいて位置合せ曲線は最も単純か
つ最小値からの立上シが急峻であるとともにギャップ変
動による形状変化も小さくなるため、位置合せ制御を簡
単かつ高精度に行なヌーる。のみならず、同一の検出信
号が利用でき、演算方法を変えるのみでギャップ設定。

位置合せが可能であるため、これらを同時に、しかも短
時間に制御できる。

また、積分強度曲線はギャップ設定値から±０．１μｍ
の範囲では直線的に変化するので０．０１μｍ以下のギ
ャップ設定が行なえ、しかもこの直線性を利用すれば０
．０１μｍ以下の高精度変位計を構成することも可能で
ある。

さらに同一の回折格子マークでギャップ、位置合せの両
制御が行なえ、しかも対物レンズ等を使用していないた
めマークを露光バタン近くに配置できる。し７たがって
、マスクやウェハの平面度が悪い場合にもマスク上の露
光バタンとレジストを塗布し７たウェハ間のギャップを
正確に設定できる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（４）は従来の２重焦点レンズを用いたギャップ
および位置合せ同時検出法を示す図、同図の）は位置合
せマークを示す図、第２図（ト）は従来の２重回折格子
を用いた位置合せ装置を示す構成図、同図（Ｂ）は位置
合せマークを示す詳細図、第３図囚および（Ｂ）はそれ
ぞれ相対位置ずれ量ｄに対する＋１次と一１次回折光の
減算強度ΔＩの変化の一例を示す図、第４図は本発明の
一実施例を示す位置合せ装置の構成図、第５図はギャッ
プに対するΔ■の積分強度の変化の一例を示す図、第６
図および２ｇ７図はギャップ設定値力・らのギャップの
ずれ量Δ２に対するΔ工の積分強度の一例を示す図、第
８図はΔ２の正負判定に利用するギャップに対するΔ工
の積分強度の変化の一例を示す図、第９図は相対位置ず
れ量に対する＋１次と一１次回折光の加算強度の変化の
一例を示す図である。 ２・争・・ウェハ、３・・・・ウェハマーク、４・・φ
・マスク、５＠・・・マスクマーク、６・・・・レーザ
光源、９・・・嗜粗調ステージ、１０・・φ・微調ステ
ージ、１４．１５・・・拳光電変換器、１７，１８，１
９＠・・・球面ミラー、２０・拳・・入射角振動子、２
１・・・・信号処蓉制御部。 特１°出願人　日本電化箪―公社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の物体に設けた第１の回折格子と、瀉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、両回折光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
   対変位を検出して位置合せする方法において、前記コヒ
   ーレント光もしくは準単色光の入射角を周期的に変動さ
   せ、入射光に対して対称的な方向に回折された同次数の
   回折光の強度を減算処理し、当該減算強度を入射角につ
   いて積分した積分強度の変化によって第１の物体と第２
   の物体のギャップ制御を行なうとともに、入射光に対し
   て対称的に回折された同次数の回折光の強度を加算処理
   し、当該加算強度の変化によって第１の物体と第２の物
   体の相対変位を検出し位置合せ制御することを特徴とす
   る２重回折格子によるギャップ・位置合せ制御法。