JPS60256002A

JPS60256002A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPS60256002A
Application number: JP59112370A
Authority: JP
Inventors: Toshio Matsuura; 松浦　敏男; Shigeo Murakami; 成郎村上; Yuji Imai; 裕二今井; Kazuya Oota; 和哉太田; Shoichi Tanimoto; 昭一谷元
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-06-01
Filing date: 1984-06-01
Publication date: 1985-12-17
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: JPH0672766B2

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）本発明は基板（ウェハ）等に形成された位置合せ用のマ
ークを検出して、基板の位置検出を行う装置に関し、特
に半導体素子を製造するための露光装置に適した位置検
出装置に関する。

（発明の背景）大規模集積回路（ＬＳ　Ｉ　）パターンの微細化は年々
進行しているが、微細化に対する要求を満たし、且つ生
産性の高い回路パターン焼付は装置として縮小投影型露
光装置が普及してきている。従来より用いられてきたこ
れらの装置においては、シリコンウェハに焼付けされる
べきパターンの伺倍か（例えば５倍）のレチクルバター
７が投影レンズによって縮小投影され、】回のｊ１元で
焼付けされるのはウェハ上で対角長２］＋ｕの正方形よ
りも小さい程度の領域である。従って直径１２５簡位の
ウェハ全面にパターンを焼付けるには、ウェハをステー
ジに載せて一定距離移動させては露光を繰返す、い°わ
ゆるステップアンドリピート方式を採用している。

ＬＳＩの製造においては、数層以上のパターンがウェハ
上に順次形成されていくが、異なる層間のパターンの重
ね合せ誤差（位置ずれ）を一定値以下にしておかなけれ
ば、層間の導電または絶縁状態が意図するものでなくな
り、ＬＳＩの機能を果すことができなくなる。例えば１
μｍ１１の最４’を線幅の回路に対しては、せいぜいＱ
、２ｐｍ程度の位置ずれしか許されない。

縮小投影露光方式では、パターンを重ね合わせる方法、
即ちレティクル上のパターンの投影像と既に形成された
ウェハ上のパターンとを重ね合わせる方法として、オフ
・アクシス（Ｏｆ　ｆ−Ａｘ　ｉｓ　）方式とスルー・
ザ・レンズ（ＴＴＬ）方式との２つの方法がある。いず
れの方式にしろ、ウェハ上の位置合せ用マークを検出し
てウェハの装置に対する位置合せを行うが、全ての層圧
おいて高い重ね合せ精度を得るのは、難しい。これはウ
ェハ上の結晶の粒子の大きさが大きくなる等の原因によ
り、表面が粗くなっていたり、反射率にムラがあったり
する為に、ウェハマークの検出時にマークの検出中心が
ずれるのが原因であった。特にウニｔ゛へ表面アルミニウムの薄膜で覆われている場合には、こ
の現象が顕著に現われ、重ね合せ精度が著しく低下する
という欠点があった。

（発明の目的）本発明は、これらの欠点を解決し、高速で高精度にレテ
ィクル上のパターンの投影像とウェハ上のパターンとを
重ね合わす事を可能とするだめの位置検出装置を得る事
を目的としている。

（発明の概要）本発明は、位置合せ用のマークを有するウエノ・等の基
板の位置を検出する装置ｉ’Ｃおいて、位置合せ用マー
クは例えば位置合せ丁べさ方向と同方向に、所定間隔で
複数個並んで構成されており、この位置合せ用マークを
スポット元で走査する手段と位置合せ用マークから得ら
れる元情報（散乱光、回折光等）を光電変換する光電検
出手段と、これらの手段から得られる情報から、位置決
めすべき位置情報を導出する手段を有し、この手段によ
って、複数個の位置合せ用マークをその配列方向に走査
したときに得られる光電信号に基づいて、複数個のマー
クの各走査位置を検出し、これらの走査位置を平均化処
理、加重平均処理、あるいは最小二乗近イ以処理等の演
算により位置合せ用マークの形状や基板表面の状態に起
因す、る偏差量、位置合せ検出に起因する偏差１等を減
少させた１つの位置情報を検出することを技術的要点と
している。

（実施例）第１図は本発明の実施例に好適な縮小投影型露光装置の
概略的な構成を示す図である。縮小投影レンズ（以下、
単に投影レンズとする）１はレチクル５に形成された回
路パターン等の儂をウェハ３に１１５、又は１／１０に
縮小して露光する。

レチクル５は不図示のレチクルステージに載置され、こ
のレチクルステージは不図示の駆動部罠よってｘ、　ｙ
、方向、及びａ（回転）方向に微動する。

そしてレチクル５は不図示の位置合せ顕微鏡を使って、
例えば投影レンズ１０光軸ＡＸに対して所定位置にアラ
イメント（位置合せ、あるいは位置決め）される。また
レチクル５Ｆｉウエハ３に塗布すしたレジストを感光さ
せるのに有効な波長（例えば２線やｉ線を含む露光光に
よって照明される。

この露光光の照明により、レチクル５のパターン儂を形
成する光束ＥＬは、ウエノ・３の表面に結像する。一方
、このウェハ３はＸ、Ｙ方向に２次元移動するステージ
４に載置される。ステージ４は不図示であるが、ウェハ
３を上下動させるだめの２ステ一ジ部と、この２ステ一
ジ部上に設けられて、ウェハ３を微小回転させるσテー
ブルとを有する。ステージ４の２次元的な移動は駆動部
（モータ等）２０によって行なわハ、またステージ４の
ＸＹ座標系における位置（座標値）はレーザ干渉計等の
測長器２１によって、例えば０．０２＃ｆｆＬの分解能
で常時検出されている。

次にウェハ３の位置合せ検出光学系（アライメント光学
系）について説明する。レーザ光源６からのレーザ光は
ビーム拡大器７で所定のビーム径に拡大され、シリンド
リカルレンズ８によって断面が細長い楕円ビームに整形
される。そして、この整形されたレーザビームはミラー
９で反射され、レンズ】０、ビームスフリツタ】】、レ
ンズ１２、を通り、ミラー１３によってレチクル５の下
面から上方に向けて反射される。ミラー１３カラのレー
ザビームは一度スリット状に収束した後、レチクル５の
下方にレチクル５と平行な反射平面を有するミラー１４
に至り、ここでレーザビームは投影レンズ１の入射−２
に向けて反射される。

投影レンズ１を通ったレーザビームはシリンドリカルレ
ンズ８の働きでウェハ３上で細長い帯状のスポット光Ｌ
ＡＹに結偉される。ウェハ３上には予め位置合せ用のマ
ーク（アライメントマーク）が形成されているので、ス
ポット光ＬＡＹがこのマークを照射すると、マークから
は散乱光や回折光が生じる。本実施例ではマークを回折
格子状のパターンとしたので、マークからはスポット光
ＬＡＹの正反射光（０次回新党）と回折光（１次光以上
）とが生じる。これらマークからの光情報は投影レンズ
１に逆入射し、入射［１１２を通ってミラー１４．１３
で反射され、レンズ１２を通ってビームスプリッタ１１
で反射され、空間フィルター１５に達する。空間フィル
ター１５は投影レンズ１の入射−２と共役であり、ウェ
ハ３の表面からの正反射光（０次回新党）のみを遮断す
る。ウェハ３の表面（マーク）からの散乱光（回折光）
は空間周波数によって正反射光の光路に対して変位する
。そこで空間フィルター１５は、散乱光や回折光のみを
通し、集光レンズ１６はそれら散乱光や回折光を光１に
検出器としての受光素子１７に集光する。受光素子１７
は散乱光や回折光の強度に応じた光電信号ＳＡを出力し
、この光電信号ＳＡはアライメント信号処理回路（以下
、単に処理回路とする）２２に入力する。処理回路２２
は測長器２１からの位置情報（時系列的なアップ・ダウ
ンパルス信号、又はパラレルなデジタル信号）も入力し
て、マークからの回折光に応じた光電信号ＳＡの発生位
置（走査位置）を検出する。具体的には、ステージ４の
単位移動量（０，０２μｍ）毎に発生するアップ・ダウ
ンパルス信号によって光電信号ＳＡをサンプリングし、
各サンプリング値をデジタル値に変換してメモリに番地
順に記憶させた後、所定の演算処理によって、マークの
走査位置を検出するものである。さらに処理回路２２は
、−例としてウエノ・３上の複数のマークの走査位置を
平均化する演算も行なう。制御装置２３は、平均化によ
って決定されたマークの位置情報に基づいて駆動部２０
を制御する。ウェハ３上のマークが、ウェハ上の複数の
チップの各々に付随して合せすることができる。

第２図は投影レンズ１の円形のイメージフィールドｉｆ
とスポット光ＬＡｙの配置関係を示す平面図である。第
１図では説明を簡単にするために、アライメント光学系
の１組のみを示したが、実際には第１図の紙面と垂直な
方向に同様の構成のアライメント光学系がもう１組設け
られている。投影レンズ１の光軸ＡＸを直交座標系ｘｙ
の原点を通るように定めたとき、スポット光ＬＡｙは第
２図のようにＸ軸上でＸ方向に細長く、もう１組のアラ
イメント光学系によるスポット光ＬＡｘはｙ軸上でｙ方
向に細長くなるように形成される。各スポット光は必ら
ずしも、それぞれｘ＠ｌ、ｙ軸上゛に位置する必要はな
いが、ここでは説明を簡単にするため、Ｘ％Ｙ軸上に一
致しているものとする。

スポラ）ＬＡｙｔｉウェハ３上にＸ方向に伸びたアライ
メントマークのｙ方向の位置検出に使われ、スポット光
ＬＡｘはウェハ３上でｙ方向に伸びたアライメントマー
クのＸ方向の位置検出に使われる。また第２図からも明
らかなように、スポット光ＬＡ　ｙ　、　ＬＡ　ｘの位
置はイメージフィールドｉｆ内であって、かつこれに内
接する矩形のパターン投影領域ＰＡ外に定められている
。

第３図は本実施４例の位置検出装置に好適なウェハ３上
のマーク配置を示す平面図である。ウェハ３上には複数
のチップＣＰがマトリックス状に配置され、各チップＣ
ＰＫは第３図のようにＸ方向の位置合せ用のマークＭｘ
と、ｙ方向の位置合せ用のマークＭｙとが設けられてい
る。これらマークＭｘ％Ｍｙは以後の説明を簡単にする
ため、チップＣＰの中心ＣＣを座標系ｘｙの原点に一致
させたとき、チップＣＰの周辺のＸ軸上とｙ軸上に夫々
配置されているものとする。もちろん必らずしもその必
要はない。マークＭｘ、Ｍｙは本実施例ではそれぞれ３
本の回折格子状の線パターンを有し、その３本のうち中
央の１本がそれぞれＸ軸、ｙ軸上に位置する。第４図は
マークＭｘの拡大平向図であり、３本の回折格子パター
ンＭ、　、　Ｍ、、Ｍ、は各々ｙ軸と平行にそれぞれ間
隔Ｌ＋　、Ｌｔでｙ方向に伸びて配置される。マークＭ
ｙについても全く同様である。間隔ＬＩ、　Ｌｔはスポ
ット光の走査により格子パターンＭｔ　、　Ｍｔ　、　
Ｍｓ　が独立して検出できる程度、例えば各パターンＭ
１、ＲＬ　、Ｍｓの幅′（ｉｌ−５μｍ程度にしたとき
、Ｌ、、　＝　Ｌ。

＝　３　Ｑ　ｐ　ｍに定められている。

次に本実施例の動作を説明する。ウエノ・３はまず不図
示のプリアライメント装置で粗く位置決めされてからス
テージ４に載置される。ステージ４にはウェハ３のアラ
イメントマークと同等の基準マークが予め設けられてお
り、この基準マークがスポット光ＬＡｙ、ＬＡｘと重な
るようにステージ４を位置決めすれば、スポット光ＬＡ
ｙＳＬＡｘに対するウェハ３（又はチップＣＰ）の位置
合せ合せ露光すべきチップＣＰに付随したマークＭｘと
スポット光ＬＡｘとを例えば第４図のように整列する。

この状態でステージ４　ｆ　Ｘ方向に一定の距離だけ移
動して、スポット光ＬＡｘと格子パターンＮＬ　、Ｍｔ
　、　Ｍｓをその配列方向に相対的に走査する。その走
査範囲は格子パターンＭＩ、　Ｍｙ、ＭＩを含み、かつ
間隔ＬＩ、　Ｌｔの和の長さよりも十分大きな範囲に定
められている。さて、スポット光ＬＡｘの相対走査によ
って、光電信号ＳＡの時系列的な波形は第５図のように
変化する。第５図で横軸はステージ４のＸ方向の走査位
置を表わし、縦軸は光電信号ＳＡの強度を表わす。第４
図のようにスポット光ＬＡｘが整列したときの位置をＰ
ｏ、とすると、処理回路２２は位置Ｐ・・からステージ
４の走査終了位置Ｐ４までに出力された光電信号ＳＡの
サンプリングされた波形をメモリに記憶する。そして処
理回路２２は、例えばこの波形中のピークの位１ｔＰ、
、ＰＩ、ＰＩを格子パターンＭ＋　、Ｍｙ　、Ｍ−の走
査位置として検出する。格子パターンＭ＋　、Ｍｔ　、
Ｍａは同一の形状なので、個々に独立した位置合せマー
クとしての機能を果す。一般に１本の位置合せマークを
検出する精度の偏差は統計量σで表わされ、この偏差σ
が位置検出、又は位置合せの誤差量になる。このため３
本の格子パターンＭｌ　、Ｍ、　、ＭＳの各走査位置Ｐ
１、Ｐｔ　、　Ｐｓの偏差も夫々σになる。そこで処理
回路２２は３つの走査位置Ｐ＋、ＰＩ、Ｐｓを平均し王
、１つの位置情報Ｐｙを算出する。すなわち、Ｐｘ＝（
Ｐ＋　＋　ｐｖ　＋　Ｐｓ　）／　３の演算を行なう。

この平均化の演算によって得られた位置情報Ｐｘの偏差
量σｍは、一般の統計的な手法により、σｎｓ　＝　ｇ
／ｙ／ｉで表わされる。すなわち、１本の位置合せマー
クのみを検出して位置検出した時の偏差量σにくらべて
１／４の誤差になり、位置検出の精度が向上する。不実
施例では３本の格子パターンＭ、　、Ｍ、、Ｍｓをスポ
ット光で走査するようにしだが、ｎ本の格子パターンを
設ければ平均化でめた１つの位置情報Ｐｘの偏差量は、
σｍ＝σ／Ｆ／′ｎで表わされ、ｎが大きくなればなる
程位随検出の精度の向上が期待できる。

さて、本実施例では格子パターンＭ、　、　Ｍｌ、　Ｍ
。

の間隔Ｌ＋、Ｌｔを３０μｍの等間隔としたので、位置
情報Ｐｘは走査位置Ｐ１　に極めて近い値になる。次に
マークＭｙについてもスポット光ＬＡＹによって同様に
ｙ方向に走査し、３不の格子パターンの平均的な位置情
報ｐｙをめる。こうしてめられた位置情報Ｐｘ、Ｐｙに
基づいて、制御装置２３はステージ４を位置決めする。

具体的には副長器２１で検出されるステージ４の位置が
、位置情報Ｐｘ　Ｐｙと等しくなるように、駆動部２０
をサーボ制御する。この位置決めによって、スポット光
ＬＡｘは第３図中のｙ軸上に位置し、スポット光ＬＡＹ
は同図中のＸ軸上に位置し、チップｃｐの中心ＣＣと投
影レンズ１の光軸ＡＸ（又はレチクル５の投影中心）と
は精密に位置合せされる。この後、照明光学系中のシャ
ッターを所定時間だけ開放することによって、レチクル
５の回路パターンの投影偉がチップＣＰＫ正確に重ね合
せ露光される。

以上、本実施例では複数の位置合せマークとして３本の
格子パターンＭｒ　、Ｍｔ　、　Ｍｓを検出するように
したが、アライメント光学系の構成によっては単純な線
状パターンを複数本検出してもよい。

この場合線状パターンの段差エツジで生じる散乱光を検
出するのが望ましい。また、本実施例のように、複数の
位置合せマークの本数を奇数にし、等間隔にした場合は
、そのマークのうち中央のマークの走査位置が平均化し
た１つの位置情報と一致するが、奇数本であっても等間
隔でなかったり、第６図のように偶数本であった場合は
、平均化でめられた位置情報はウェハ上の実マークのな
い仮想的な位置を表わすことＩｃなる。第６図のように
、平行な４本の線状パターンＭｌ、　Ｍｆ、　Ｍｓ、Ｍ
４から成るマークＭｘをスポット光ＬＡｘで走査する際
、線状パターンＭ１とＭ、の間隔と線状パターンＭ１と
Ｍ、の間隔とをＬｌとし、線状パターンＭｙ　とＭｍの
間隔をＬ　−（Ｌ−ｑ　Ｌｌ　）とすると１位置情報Ｐ
ｘは線状パターンＭ２と肖のｙ方向の中心位置を表わす
ことに々る。この場合でも１位置情報Ｐｘが位置検出す
べき設計上の値であるとして予め定めておけば全く同様
にレチクル５とチップＣＰの位置合せができる。さらに
本実施例のスポット光ＬＡｘ、ＬＡｙは円形のスポット
にしてもよい。％にこれらスポット光の波長を露光光の
波長と異ならせ、ウェハ３の７オトレジストを感光させ
ない波長の光にすると、スポット光をウェハ３上のマー
ク以外のどこにでも照射できるので、スポット光とウェ
ハの相対走査の範囲に制限がなくなると共に、レジスト
の露光光の吸収による反射率、屈折率の変化が生じない
ため１位置検出の高速化が期待できる。

また１本実施例の処理回路２２では、走査位置そのもの
を変数とする単純な平均演算を行なったが、この演算は
加重平均処理や、最小二乗近似処理で屯全く同様の効果
が得られる。また複数のマーク（格子パターン）の各走
査位置に応じた情報として、各走査位置における誤差量
ΔＰ１．ΔＰ２．１１　Ｐｓ−−’をめ、この誤差量を
平均（ｚＰ　ｘ　＝（ΔＰ１＋乞Ｐ、＋Δｐｉ　）／３
　）　（、てもよい。各マークの誤差量は具体的には、
ウエノ・上の走査始点Ｐ。

から各格子パターンＭ１．　Ｍ−、Ｍｓまでの設計上の
距離（Ｘ＋、　Ｘｙ、Ｘｓ　）が予めわかっている場合
、その各マークＭ＋　、　Ｍｔ　、Ｍｓの実測値（ｐ、
、ｐ、、Ｐｌｏ）と設計距離との差でめられる。そして
平均化された誤差ｚＰｘ分を１つの格子ノくターン、例
えばＭ、の実測値から補正した位置をマークＭｘの全体
を表わす１つの位置情報とするものである。

ところで本実施例では処理回路２２に光電信号ＳＡの波
形を記憶させるようにしたので、スポット光Ｌ’ＡＸ（
ＬＡＹ）によるマークＭ　ｘ　（Ｍ　ｙ　）の走査（ス
テージスキャン）は一度だけでよく、マーク検出は極め
て短時間のうちに行なわれる。

さらに光電信号ＳＡの波形を記憶させることによって、
各種のデジタル演算処理で波形の評価を行なうこともで
きる。その評価の一例としてマークの誤認識を低減させ
る方法を以下に述べる。この方法は本実施例中、マーク
の平均的な位置を検出する前に実行される。光電信号Ｓ
Ａの波形はウェハ３表面の反射率のムラ、微粒子の付層
、マークのプロセスによる変形等の影響を受けて、第５
図のように必らずしもきれいな（Ｓ／Ｎ比のよい）波形
にはならず、マークに応じたピーク以外にも類似したピ
ークが複数発生することもめる。そこで、処理回路２２
はそれら波形上のピーク位置を抽出して、４Ｉｅ、のピ
ークとピークの間隔（Ｌｌ、Ｌ、）が複数の位置合せマ
ークの設計上の間隔と全て等しいか否かを判断する。こ
れＫよって、Ｓ／Ｎ比の悪い光電信号ＳＡで゛おりても
、マークのｗＡｇ識が低減できる。こうして検出された
マークの各走査位置を使って、以後本実施例のように平
均化を行なう。このようにマークのｗ４認識を低減でき
ると、第１図に示したＴＴＬ（スルーザレンズ）方式の
アライメント光学系を使って、ウェハのグローバルアラ
イメントもできる。グローバルアライメントでは、本実
施例のチップアライメントの時よりもスポット光の走査
範囲を広くすることかわるので、マーク以外にチップ周
辺のスクライブライン、若しくはチップ内の回路パター
ン部からの散ａ元に応じたピークが光電信号ＳＡの波形
上に現われる可能性が高い。このためマークの認識率を
高くしなければならないが、上記方法を加えればグロー
バルアライメント時にスクライプラインをマークと認識
したりすることがなくなると共に、平均化により、高精
度の位置合せが達成される。

（発明の効果）以上のように不発明によれば、複数の位置合せマークを
スポット光で走査して、各マークの位置を検出した後、
平均化によって１つの位置情報を得るようＩｆＣＬだの
で、単一のマークの位置を検出するよりも位１を付せ精
度が向上するという効果が得られる。

さらに、ＩＣ製造の各植プロセス、特にマークが変形（
非対称歪みやエツジのだれ）しやすい工程、あるいは１
本のマークで十分な精度が得られない工程（アルミ層等
）において、必要とされる位置合せ精度に応じて複数の
マークをウェハに設け、平均してそのマーク位置を検出
すれば、必要な精度が容易に得られるという効果もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による位置決め装置に好適な縮
小投影型露光装置の概略的な構成を示す図、第２図は投
影レンズのイメージフィールド内のスポット光の配置を
示す平面図、第３図はウェハ上のチップに付随した位置
合せマークの配置図、第４図は複数の位置合せマークと
しての格子パターンの拡大図、第５図は光電信号の波形
図、第６図は位置合せマークの他の例を示す平面図であ
る。〔主要部分の符号の説明〕１・・・・・投影レンズ、　３・・・・・ウェハ（基板
）４・・・・・・ステージ、５・・・・・・レチクル。１７・・・・・・受光素子、　２１・・・・・測長器、
２２・・・・・・アライメント信号処理回路、２３・・
・・・・制御装置、　ＬＡｘ、ＬＡｙ・・・・・スポッ
ト光、　Ｍｘ、Ｍｙ・・・・・マーク第３　：、）１　
第４図第６図ｖＨ／ｙ　１１

Claims

【特許請求の範囲】

複数の位置合せ用のマークが所定間隔で配列された基板
を位置決めする装置において、前記複数のマークの各々
を独立に検出し得る大きさのスポット光を前記基板に照
射する手段と；該スポット光が前記複数のマークを横切
るように前記基板とスポット光とを前記マークの配列方
向に相対走査する走査手段と；前記複数のマークの夫々
から発生する光情報に応じた光電信号を出力する光電検
出器と；該光電信号に基づいて前記複数のマークの夫々
の走査位置を検出し、その各走査位置に対応した情報を
変数とする所定の演算処理によって１つの位置情報をめ
る位置検出手段とを備えたことを特徴とする位置検出装
置。