JPS5943820B2 - 位置整合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は２物体例えば半導体ウェハとマスクを位置整合
する位置整合装置に関するものである。

従来のマスク・アライメント装置には、マスクに位置整
合用ターゲットとして設けられた透明な窓を、半導体ウ
ェハー上に位置整合用ターゲットとして設けられたエッ
チング部をのぞかせて重畳し上記窓からエッチング部の
反射光量を検出してマスクと半導体ウェハの相対位置を
知る反射光量方式と、位置整合用ターゲットとして線状
パターンをマスク及び半導体ウェハ上に形成し、スリッ
トの振動や、鏡の回動を利用して線状パターンの光像を
光走査にてマスクと半導体ウェハの相対位置を知る光走
査方式とがある。前者のマスクアライメント装置は半導
体ウェハの平滑面やエッチング部での反射光量特性及び
、照明むらによる光量の不均一性、の問題が存在した。

また後者のマスクアライメント装置はスリット及び、鏡
による光像の走査速度が不均一であるため、マスクと半
導体ウェハの相対的位置を正確に検出することが困難で
あると共に、スリットの振動及び鏡の回動を機械駆動に
よらなければならないため、機械１駆動部の信頼性が悪
い欠点を有していた。

本発明の目的は、上記従来の欠点をなくし、第１識別パ
ターンを有する第１の物体と第２識別パターンを有する
第２の物体の位置整合精度を向上させ、高い信頼性を有
する位置整合装置を提供することにある。

即ち本発明は、第１の識別パターンを形成した第１の物
体と、第２の識別パターンを形成した第２の物体とを相
対的に位置合せする位置整合装置において、上記第１の
識別パターンと第２の識別パターンを光学的に重畳して
結像させる光学系と、該光学系によつて光学的に重畳し
て結像される光像をＸ軸方向及びＹ軸方向について撮像
する少くとも一次元的に素子を配列した複数の固体撮像
素子と、該固体撮像素子の各々から得られるＸ軸方向の
映像信号及びＹ軸方向の映像信号にもとづいて第１の物
体と第２の物体の相対的Ｘ軸方向及びＹ軸方向の偏位を
求め、これら偏位がなくなるように相対的に移動させて
両者を位置整合する整合手段とを備え付けたことを特徴
とする位置整合装置である。

また本発明は、上記位置整合装置において、上記複数の
固体撮像素子を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に２次元的に素
子を配列した２次元固体撮像素子によつて形成し、この
２次元固体撮像素子から得られる信号をＹ軸方向及びＸ
軸方向に電気的に総計してＸ軸方向の映像信号及びＹ軸
方向の映像信号に変換する変換手段を設けたことを特徴
へする位置整合装置である。以下本発明を図に示す実施
例にもとづいて具体的に説明する。

第１図はマスクを示したものであり、第２図は半導体ウ
エハを示したものである。同図に示すマスク１には、半
導体ウエハ６の所定の位置４に露光焼付けする回路パタ
ーン２と、半導体ウエハ６と位置整合するために両端に
２個の第１の識別パターンである位置整合用ターゲツト
パターン３ａ，３ｂを形成している。一方半導体ウエハ
６には、上記位置整合用のターゲツトパターン３ａ，３
ｂに対応した位置に、２個第２の識別パターンである位
置整合用ターゲツトパターン５ａ，５ｂを形成している
。上記マスクの位置整合用のターゲツトパターデ３ａ，
３ｂとしては、例えば第１図に示す如く透明な領域にＬ
形の不透明な線を十字状に配列し、十字状で一定の巾を
有する透明な帯を形成したものがある。この透明な帯は
識別領域であり、各々の帯の一端を始端、他端を終端と
する。また半導体ウエハの位置整合用ターゲツトパター
ン５ａ，５ｂとしては、例えば第２図に示す如く周囲と
反射率の異なる十字の細線にて形成したものがある。次
に本発明のマスク位置整合装置について第３図乃至第６
図にもとづいて説明する。７は回転テーブルで、半導体
ウエハ６を載置している。

８はＸ軸移動テーブルにして、回転テーブル７を回転自
在に支持し、回転テーブル７を回転させるモータ９を取
付けている。

１０はＹ軸移動テーブルにして、Ｘ軸移動テーブル８を
Ｘ軸方向に摺動自在に載置し、Ｘ軸移動テーブル８をＸ
軸方向に移動させるＸ軸モータ１１を取付けている。

更に上記ＹｌｌｌｌｌｌＬ駆動テーブル１０は基台（図
示せず）にＹ軸方向に摺動自在に載置され、Ｙ軸方向に
移動させるＹ軸モータ１２に連結している。一方マスク
１は上記半導体ウエハ６に対し、微小な間隔を設けて配
置し、基台（図示せず）に取付けられた保持部材（図示
せず）に取付けられている。１３ａ及び１３ｂは各々位
置整合用ターゲツト３ａ及び３ｂに相対して設けられた
光学系にして第４図に示す如く構成されている。

即ち光学系１３ａ及び１３ｂは、重畳された位置整合用
ターゲツトパターンの光像を拡大する対物レンズ１４、
半透明鏡１５、コンデンサレンズ１６、光源１７、半透
明鏡１８、軸心方向を上下方向に配置し上記半透明鏡１
８によつて反射された光像のＸ軸方向の巾を縮小するシ
リンドリカルレンズ２０、及び軸心方向をＸ軸方向に配
置し、半透明鏡１８を通過してきた光像のＹ軸方向の巾
を縮小するシリンドリカルレンズ２１から構成されてい
る。即ち半透明鏡１８及びシリンドリカルレンズ２０は
対物レンズ１４によつて拡大された光像のＹ成分をその
ままホトダイオードアレイ２２ａ，２２ｂの上下方向に
投射し、Ｘ成分を縮小してホトダイオードアレイ２２ａ
，２２ｂの巾内に投射するよう配置されている。更に半
透明鏡１８及びシリンドリカルレンズ２１は上記拡大さ
れた光像のＸ成分をそのままホトダイオードアレイ２３
ａ，２３ｂ０Ｘ方向に投影し、Ｙ成分を縮小してホトダ
イオードアレイ２３ａ，２３ｂの巾内に投影するよう配
置されている。２２ａ，２２ｂは多数個のホトダイオー
ド素子を一列に配列したＹ軸用ホトダイオードアレイに
して、長手方向をシリンドリカルレンズ２０の軸方向に
配置し、シリンドリカルレンズ２０を通過した光像を受
光し、スキヤン信号に応じてホトダイオード素子の各々
から電気信号をシリーズに出力するものである。

２３ａ，２３ｂは多数個のホトダイオード素子を一列に
配列したＸ軸用ホトダイオードアレイにして、長手方向
をシリンドリカルレンズ２１の軸方向に配置し、シリン
ドリカルレンズ２１を通過した光像を受光し、スキヤン
信号に応じてホトダイオード素子の各々から電気信号を
シリーズに出力するものである。

２４はスキヤン信号発生回路にして、出力信号であるス
キヤン信号２５ａ，２５ｂをホトダイオードアレイ２２
ａ，２２ｂ及びホトダイオードアレイ２３ａ，２３ｂに
接続している。

２８ａは処理回路にして、ホトダイオードアレイ２２ａ
から出力される信号２６ａにて第５図に示す如く、マス
ク１上の位置整合用ターゲツト３ａと半導体ウエハ６上
の位置整合用ターゲツト５ａとのＹ軸方向の基準距離Δ
２に対する偏差ΔＹ，を求める回路である。

２８ｂは処理回路にしてホトダイオードアレイ２２ｂか
ら出力される信号２６ｂにて、第５図に示す如く位置整
合用ターゲツト３３ｂと位置整合用ターゲツト５ｂとの
Ｙ軸方向の基準距離Δ２に対する偏差ΔＹ２を求める回
路である。

２９ａは処理回路にしてホトダイオードアレイ２３ａか
ら出力される信号２７ａにて第５図に示す如く位置整合
用ターゲツト３ａと位置整合用ターゲツト５ａとのＸ軸
方向の基準距離Δ１に対する偏差ΔＸ１を求める回路で
ある。

２９ｂは処理回路にしてホトダイオードアレイ２３ｂか
ら出力される信号２７ｂにて第５図に示す如く位置整合
用ターゲツト３ｂと位置整合用ターゲツト５ｂとのＸ軸
方向の基準距離Δ１に対する偏差ΔＸ２を求める回路で
ある。

３０は演算回路にして、処理回路２８ａから出力される
Δｙ１の信号と、処理回路２８ｂから出力されるΔＹ２
の信号と処理回路２９ａから出力されるΔＸ１の信号と
、処理回路２９ｂから出力されるΔＸ２の信号とにもと
づいて演算処理を施し、マスク１と半導体ウエハ６のＸ
軸方向の相対的変位量Δｘ、マスク１と半導体ウエハ６
のＹ軸方向の相対的変位量Δｙ、回転テーブル７の回転
軸心を中心にしてマスク１と半導体ウエハ６の回転方向
の相対的変位量Δθを求める回路である。

３１は駆動回路にして演算回路３０から出力されるΔｘ
の信号が零になるまでＸ軸モータ１１を駆動し、演算回
路３０から出力されるΔｙの信号が零になるまでＹ軸モ
ータ１２を駆動し、演算回路３０から出力されるΔθの
信号が零になるまでモータ９を駆動するものである。

上記構成によりまず半導体ウエハ６を回転テーブル６に
載置し、マスク１を保持部材（図示せず）に載置すると
半導体ウエハ６の位置整合用ターゲツトパターン５ａ，
５ｂとマスク１の位置整合用ターゲツトパターン３ａ，
３ｂは第５図Ａ，ｂに示す如く重畳されて配置される。

次に光源１７を点灯すると、光源１７から照射された光
はコンデンサレンズ１６により平行光線に変換され半透
明鏡１５で反射し、対物レンズ１４を通して重畳された
位置整合用ターゲツトパターン３ａ，５ａ及び３ｂ，５
ｂを照射する。位置整合用ターゲツトパターン５ａから
反射された光は位置整合用ターゲツトパターン３ａの透
明領域を通過して光像として形成される。この光像は、
対物レンズ１４によつて拡大され、半透明鏡１５を通過
して半透明鏡１８に達する。この光像の内半透明鏡１８
で反射した光像は、シリンドリカルレンズ２０にて第６
図に示す如くＸ軸方向にＷＸからホトダイオードアレイ
２２ａの巾寸法ＬＸに縮少されてホトダイオードアレイ
２２ａの受光面に結像され、半透明鏡を通過した光像は
、シリンドリカルレンズ２１にて第６図に示す如くＹ軸
方向にＷＹからホトダイオードアレイ２３ａの巾寸法Ｌ
Ｙに縮少されてホトダイオードアレイ２３ａの受光面に
結像される。一方位置整合用ターゲツトパターン５ｂか
ら反射された光は位置整合用ターゲツトパターン３ｂか
ら透明領域を通過し光像として形成される。この光像は
前記と同様に半透明鏡１８に達し、半透明鏡１８で反射
した光像はホトダイオードアレイ２２ｂの受光面に結像
され、半透明鏡１８を通過した光像はホトダイオードア
レイ２３ｂの受光面に結像される。即ちホトダイオード
アレイ２２ａ，２３ａ及び２２ｂ，２３ｂのホトダイオ
ード素子は、第６図に示すように各々重畳された位置整
合用パターン５ａ，３ａ及び５ｂ，３ｂを対物レンズ１
４にて拡大された光像をＸ軸方向にホトダイオード素子
の一定間隔に分割した絵素即ち検知領域を受像し、更に
Ｙ軸方向にホトダイオード素子の一定間隔に分割した絵
素即ち検知領域を受像する。次にホトダイオードアレイ
２２ａ，２２ｂは各々スキヤン信号発生回路２４から出
力されるスキヤン信号にて第６図に示すスキヤン方向に
スキヤンされ、第６図に示す如くホトダイオード素子か
ら出力される信号が連らなつた形の信号２６ａ，２６ｂ
が出力される。処理回路２８ａ，２８ｂは各々上記信号
２６ａ，２６ｂをビツト処理して第１番目のピーク値と
第２番目のピーク値の間の距離，Ａ，，ｙａ２、即ち時
間Ｔｙａｌ，ｔｙａ２及び第２番目のピーク値と第３番
目のピーク値の間の距離Ｙｂｌ，ｙｂ２、即ち時間Ｔｙ
ｂｌ，ｔｙｂ２を求め、次に示す（１）式及び（２）式
から偏差ΔＹ，，ΔＹ２を求める。但しΔｈ： ダイオ
ード素子（ビツト）の間隔Δｔ： 隣り合つたダイオー
ド素子をスキヤンするのに要する時間ｋ：対物レンズ１
４による像の拡大率 ． ΔＨ Ｋ： Ｋ−ｒフから求まる時間と変位の換算定数 同様にホトダイオードアレイ２３ａ，２３ｂもスキヤン
され、第６図に示す如くホトダイオード素子から出力さ
れる信号が連らなつた形の信号２７ａ，２７ｂが出力さ
れる。

処理回路２９ａ，２９ｂは各々上記信号２６ａ，２６ｂ
をビツト処理して、第１番目のピーク値と第２番目のピ
ーク値の間の距離Ｘａｌ，ｘａ２、即ち時間Ｔｘａｌ，
ｔｘａ２及び第２番目のピーク値と第３番目のピーク値
の間の距離Ｘｂｌ，Ｘｂ２、即ち時間ＴＸｂｌ，ｔＸｂ
２を求め、次に示す（３）式及び（４）式から偏差ΔＸ
ｌ，ΔＸ２を求める。なお、第６図に示す如く位置整合
用ターゲツトパターン５ａ，５ｂが位置整合用ターゲツ
トパターン３ａ，３ｂに対して大きく傾いている場合に
は信号２６ａ，２６ｂ、及び２７ａ，２７ｂの山の中心
の番地もしくはピーク値を示す番地を位置整合用ターゲ
ツトパターン５ａ，５ｂの中心位置とすればよい。更に
演習回路３０は、上記処理回路によつて求められたΔＸ
ｌ，ΔＸ２，ΔＹ，，ΔＹ２の信号にもとづいて次のよ
うに演算を施し、マスク１と半導体ウエハ６の相対変位
量ΔＸ，ΔＹ，Δθを求める。即ち第７図に示す如く回
転テーブル７の回転軸心ｐを中心にして、マスク１の位
置整合用ターゲツトパターン３ａ，３ｂと半導体ウエハ
６の位置整合用ターゲツトパターン５ａ，５ｂとの回転
方向の相対的変位量Δθは次に示す（５）式の関係を有
する。上記（５）式の関係から次の（６）式の関係を有
する。

Ｖυ＼−ＪｌｋｉＪ乙ノｔ−′但しＬは位置整合用ター
ゲツトパターン５ａ，５ｂの中心間距離であり、θｏは
１／Ｌなる値に相当する定数である。

なおΔθがΔＹｌ，ΔＹ２の関係であるのは、位置整合
用ターゲツトパターン５ａ，５ｂがＸ軸方向に２個配置
されているからである。更にマスク１の位置整合用ター
ゲツトパターン３ａ，３ｂと半導体ウエハ６の位置整合
用ターゲツトパターン５ａ，５ｂとのＸ軸方向の相対的
変位量ΔＸは、次に示す（７）式及び（８）式の関係を
有する。口一１Ｔ′ ２＼―′１ｉ５１１Ｃノ またマスク１の位置整合用ターゲツトパターン３ａ，３
ｂと半導体ウエハ６の位置整合用ターゲツトパターン５
ａ，５ｂとのＹ軸方向の相対的変位量Δｙは次に示す（
９）式及び［））式の関係を有する。

次に上記の如く求められたΔＸ，ΔＹ，Δθの相対的変
位置の信号を駆動回路３１に送信する。駆動回路３１は
求められたΔＸ，ΔＹ，Δθの値だけ、逆方向にＸ軸モ
ータ１１、Ｙ軸モータ１２、モータ９を駆動し、上記Δ
Ｘ，ΔＹ，Δθが全て零になつた時点でマスク１と半導
体ウエハ６は精度よく位置整合される。前記ホトダイオ
ードアレイとしては、１０２４個のホトダイオード素子
を一列に配列して２５．４ｍ１Ｌの長さを有するものが
すでに存在する。

また、位置整合用ターゲツトパターンはｌ〜２ｍ７７！
角にて形成されている。従つて位置整合用ターゲツトパ
ターンの全面をホトダイオードアレイに受像させたとし
てもマスクと半導体ウエハの位置決め精度は１μｍ〜２
μｍ程度得られる。上記実施例は光像検出素子として、
一列にホトダイオード素子を配列したホトダイオードア
レイを２個用いているが、光学系１３ａ，１３ｂの半透
明鏡１８、シリンドリカルレンズ２０，２１を削除し、
網状の絵素即ち検知領域を受像するホトダイオード素子
を２次元平面内に縦横配列したホトダイオードマトリツ
クスをホトダイオードアレイ２３ａ，２３ｂの位置に配
置すれば、前記実施例と同じ作用効果を達成することが
できる。

なおホトダイオードマトリツクスを用いた場合、Ｘ軸方
向の位置整合用ターゲツトパターン５ａ，５ｂと位置整
合用ターゲツトパターン３ａ，３ｂの相対的変位量を求
めるときは、Ｙ軸方向に配列されたダイオード素子の信
号をスキヤンすると同時に電気的に集積し、Ｙ軸方向の
位置整合用ターゲツトパターン５ａ，５ｂと位置整合用
ターゲツトパターン３ａ，３ｂの相対的変位量を求める
ときにはＸ軸方向に配列されたダイオード素子の信号を
スキヤンすると同時に電気的に集積すれば、前記実施例
のシリンドリカルレンズにて光像を巾方向に縮少したの
と同様な作用が得られる。また前記実施例において、十
字形の透明な帯で形成されたマスクの位置整合用ターゲ
ツトパターンと周囲と異なる反射率を有する十字の細線
にて形成され半導体ウエハの位置整合用ターゲツトパタ
ーンとを重畳したものであるが、この他例えば第８図ａ
乃至第８図ｄに示す如く所定の識別領域を形成するよう
に透明もしくは不透明の［形、Ｌ形、もしくは・印で囲
んだパターンまたは正方形の透明なパターン等で形成し
たマスクの位置合せ用ターゲツトパターンと、第９図ａ
乃至第９図ｃに示す如く、周囲と反射率もしくは透過率
が異なる・印、正方形、もしくは十字の帯等で形成され
た半導体ウエハの位置合せ用ターゲツトパターンとを組
合せて重畳しても前記実施例と同一の作用効果が達成で
きるので、位置整合用ターゲツトパターンは種々な形状
で選定され、前記実施例に限定されるものではない。

更に前記実施例においてＸ，Ｙ方向は直交しているか必
ずしも直交座標に限定されるものではない。

以上説明したように本発明によれば、従来の位置整合装
置に比較して、反射光量のむら、照明むらなどに影響さ
れることが防止されると共に、機械的走査機構がないた
め、コンパクトで且信頼性を向上させた位置整合装置を
得ることができる効果を奏する。

また本発明によれば座標機能を有する一次元または２次
元固体撮像素子から電気的走査によつて映像信号が得ら
れるので、この映像信号の時間軸と識別パターンの相対
的変位量が正確に対応し、上記映像信号に対して簡単な
デイジタル的論理演算を施すだけで、正確に識別パター
ンの相対的変位量が求まり、優れた実用的効果が得られ
る。また本発明によれば、゜一次元または２次元固体撮
像素子を形成する素子の番地（座標）が固定しているた
め、位置整合装置として長期安定性に優れ、高信頼度が
得られる実用的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はマスクを示した図、第２図は半透体ウエハを示
した図、第３図は本発明のマスク位置整合用装置の一実
施例を示した概略構成図、第４図は第３図に示す光学系
を詳細に示した図第５図はマスクの位置整合用ターゲツ
トパターンと半導体ウエハの位置整合用ターゲツトパタ
ーンが重畳されたときの状態を示した図、第６図は第３
図に示すホトダイオードアレイにて受光される光像とホ
トダイオードアレイから得られる信号波形を示した図、
第７図はマスクの位置合せ用ターゲツトパターンと半導
体ウエハの位置整合用ターゲツトパターンの相対的変位
量の関係を示した図、第８図はマスクの位置合せ用ター
ゲツトパターンの例を示した図、第９図は半導体ウエハ
の位置整合用ターゲツトパターンの例を示した図である
。 １・・・・・・マスク、３ａ，３ｂ・・・・・・位置整
合用ターゲツトパターン、５ａ，５ｂ・・・・・・位置
整合用ターゲツトパターン、６・・・・・・半導体ウエ
ハ １３ａ，１３ｂ・・・・・・光学系、１４・・・・
・・対物レンズ、１７・・・・・・光源、１８・・・・
・・半透明鏡、２０，２１・・・・・・シリンドリカル
レンズ、２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ・・・・・・
ホトダイオードアレイ、２４・・・・・・スキヤン信号
発生回路、２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ・・・・・
・処理回路、２９・・・・・・演算回路、３０・・・・
・・駆動回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の識別パターンを形成した第１の物体と、第２
   の識別パターンを形成した第２の物体とを相対的に位置
   合せする位置整合装置において、上記第１の識別パター
   ンと第２の識別パターンを光学的に重畳して結像させる
   光学系と、該光学系によつて光学的に重畳して結像され
   る光像をＸ軸方向及びＹ軸方向について撮像する少くと
   も一次元的に素子を配列した複数の固体撮像素子と、該
   固体撮像素子の各々から得られるＸ軸方向の映像信号及
   びＹ軸方向の映像信号にもとづいて第１の物体と第２の
   物体の相対的Ｘ軸方向及びＹ軸方向の偏位を求め、これ
   ら偏位がなくなるように相対的に移動させて両者を位置
   整合する整合手段とを備え付けたことを特徴とする位置
   整合装置。 ２ 第１の識別パターンを形成した第１の物体と、第２
   の識別パターンを形成した第２の物体とを相対的に位置
   合せする位置整合装置において、上記第１の識別パター
   ンと第２の識別パターンを光学的に重畳して結像させる
   光学系と、該光学系によつて光学的に重畳して結像され
   る光像を撮像するようにＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元
   的に素子を配列した２次元固体撮像素子と、該２次元固
   体撮像素子から得られる信号をＹ軸方向及びＸ軸方向に
   電気的に総計してＸ軸方向の映像信号及びＹ軸方向の映
   像信号に変換する変換手段と、該変換手段から得られる
   Ｘ軸方向の映像信号及びＹ軸方向の映像信号にもとづい
   て、第１の物体と第２の物体の相対的Ｘ軸方向及びＹ軸
   方向の偏位を求め、これら偏位がなくなるように相対的
   に移動させて両者を位置整合する位置整合手段とを備え
   付けたことを特徴とする位置整合装置。