JPS6025896B2 - 位置検出方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の半導体ウェハまたはマスク等に形成された２次
元パターンの位置を検出する位置検出方式に関するもの
である。

従来の位置検出方式として用いられている例えばマスク
・アラィメント装置は、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−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
。

前者のマスクアラィメント装置は半導体ウヱハの平滑面
やヱ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ィ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
導体ゥ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、上記従釆の欠点に鑑み可動部をなくし
て高い信頼性でもつて高精度に第１の物体に形成された
直線状または点列状の第１の識別パターンと、第２の物
体に形成された直線状または点列状の第２の識別パター
ンとの相対位置を検出できるようにした位置検出方式を
提供するにある。

本発明は、上記目的を達成するために、第１の物体に形
成され、且つ直線状または点列状の第１の識別パターン
を有する第１の２次元パターンと、第２の物体に形成さ
れ、且つ直線状または点列状の第２の識別パターンを有
する第２の２次元パターンをシリンドリカルレンズを含
む光学系で上記第１及び第２の識別パターンの線方向に
圧縮して１次元パターンとして結像させ、この圧縮結像
された１次元パターンを撮像手段で映像信号に変換し、
この変換された映像信号を電気的に処理することによっ
て第１の識別パターンと第２の識別パターンとの相対位
置を検出することを特徴とする位置検出方式である。

また本発明は、上記目的を達成するために、２次元パタ
ーンをシリンドリカルレンズを含む光学系で一定方向に
圧縮して１次元パターンとして一次元的に素子を配列し
た一次元固体撮像素子に結像させ、この圧縮結像された
１次元パターンを上記一次元固体撮像素子によって映像
信号に変換し、この変換された映像信号を電気的に処理
してピーク位置を検出し、直線状パターンまたは点列状
パターンの位置を検出することを特徴とする位置検出方
式である。

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
ェハを示したものである。同図に示すマスク１には半導
体ウヱハ６の所定の位置４に露光蛾付けする回路パター
ン２と、半導体ゥェハ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り、且線状パターンで形成
された位置整合用ターゲットパタ−ン３ａ，３ｂを形成
している。一方半導体ゥェハ６には、上記位置整合用の
ターゲットパターン３ａ，３ｂに対応した位置に、２個
第２の識別パターンであり、且線状パターンで形成され
た位置整合用ターゲットパターン５ａ，５ｂを形成して
いる。上記マスクの位置整合用のターゲットパターン３
ａ，３ｂとしては、線状パターンで形成され、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、十字状で一定の中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、池端を終端とする。また半導体ウェハ
の位置整合用ターゲットパターン５ａ，５ｂとしては、
線状パターンで形成され、例えば第２図に示す如く周囲
と反射率の異なる十字の紬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
体ウェハ６を載直している。

８は×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、×軸移動
テーブル８を×軸万向に摺動自在に磯直し、×軸移動テ
ーブル８を×軸方向に移動させる×鼠モータ１１を敗付
けている。

更に上記Ｙ軸駆動テ−ブル１０は基台（図示せず）にＹ
軸方向に摺敷自在に載直され、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
体ウェハ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
ゲット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
ターゲッ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
１８によって反射された光像の×鞠方向の中を縦少する
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を通過してきた光陵のＹ軸方向の
中を縮少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によって拡大された光像のＹ成分を
そのままホトダィオードアレィ２２ａ，２２ｂの上下方
向に投射し、×成分を縮小してホトダィオードアレィ２
２ａ，２２ｂの中内に投射するよう配置されている。更
に半透明鏡１８のシリンドリカルレンズ２１は上記拡大
された光像の×成分をそのままホトダイオードアレィ２
３ａ，２３ｂの×方向に投影し、Ｙ成分を縮小してホト
ダィオードアレイ２３ａ，２３ｂの中内に投影するよう
配置されている。２２ａ，２２ｂは多数個のホトダィオ
ード素子を一列に配列したＹ軸用ホトダィオードァレイ
にして、長手方向をシリンドリカルレンズ２０の鞠方向
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、スキャン信号に応じてホトダィオード素子の各
々から電気信号をシリーズに出力するものである。

２３ａ，２３ｂは多数個のホトダィオ−ド素子を一列に
配列した×軸用ホトダィオ−ドアレィにして、長手方向
をシリンドリカルレンズ２１の敵方向に配直し、シリン
ドリカルレンズ２１を通過した光像を受光し、スキャン
信号に応じてホトダィ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はスキャン信号発生回路にして出力信号であるスキ
ャン信号２５ａ，２５ｂをホトダイオードアレイ２２ａ
，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ット３ａと半導体ウェハ６上
の位置整合用ターゲット５ａとのＹ軸方向の基準距離△
２ に対する偏差△ｙ．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
合用ターゲット３ｂと位置整合用ターゲット５ｂとのＹ
軸方向の基準距離△２ に対する偏差△ｙ２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図示す如く位置整合用
ターゲット３ａと位置整合用ターゲット５ａとのＸ軸方
向の基準距離△，にする偏差Ａｘ，を求める回路である
。

２９ｂは処理回路にしてホトダイオ−ドアレィ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
用ターゲット３ｂと位置整合用ターゲット５ｂとのＸ軸
方向の基準距離△，に対する偏差△均を求める回路であ
る。

３０‘ま演算回路にして、処理回路２８ａから出力され
る△ｙ，の信号と、処理回路２８ｂから出力される△ｙ
２の信号と、処理回路２９ａから出力される△×，の信
号と、処理回路２９ｂから出力される△×２の信号とに
もとづいて演算処理を施し、マスク１と半導体ウヱハ６
のＸ軸方向の相対的変位量△×、マスクーと半導体ゥェ
ハ６のＹ鞠方向の相対的変位量△ｙ、回転テーブル７の
回転軸心を中心にしてマスク１と半導体ウェハ６の回転
方向の相対的変位量△■を求める回路である。

３１は駆動回路にして、演算回路３１から出力される△
×の信号が巻になるまで×軸モー夕１１を駆動し、演算
回路３０から出力される△ｙ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△■
の信号が零になるまでモータ９を駆動するものである。

上記穣成によりまず半導体ウェハ６を回転テーブル６に
軟直し、マスク１を保持部材（図示せず）に戦層すると
半導体ウェハ６の位置整合用ターゲットパターン５ａ，
５ｂとマスク１の位置整合用ターゲットパターン３ａ，
３ｂは第５図ａ，ｂに示す如く重畳されて配直される。
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１６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ットパターン３ａ，５ａ及び３ｂ
，５ｂを照射する。位置整合用ターゲットパターン５ａ
から反射された光は位置整合用ターゲットパターン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によって拡大され、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×軸方向にＷＸからホトダィオードア
レィ２２ａの中寸法ＬＸに縦少されてホトダィオードア
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からホトダィオードアレィ２３ａの中寸
法ＬＹに縮少されてホトダィオードアレィ２３ａの受光
面に結像される。一方位置整合用ターゲットパターン６
ｂから反射された光は位置整合用ターゲットパターン３
ｂから透明領域を通過して光像として形成される。この
光像は前記同様に半透明鏡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２２Ｉｂ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ィオ
ードアレィ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
トダィオ−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１４にて拡大された光像をＸ軸方向にホトダィオ
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軸方向にホトダィ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。次にホトダィオー
ドアレィ２２ａ，２２ｂは各々スキャン信号発生回路２
４から出力されるスキャン信号にて第６図に示すスキャ
ン方向にスキャンされ、第６図に示す如くホトダィオー
ド素子から出力される信号が蓮らなった形の信号２６ａ
，２６ｂが出力される。処理回路２８ａ，２８ｂは各々
上記信号２６ａ，２６ｂをビット処理して第１番目のピ
ーク値と第２番目のピーク値の間の距離松，，ｙも則ち
時間Ｖａ，，ｔ蝋２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ｙｂ，，ｙＱ、即ち時間ｔｙｂ，
，ツＱを求め、次に示す‘１｝式及び‘２１式から偏差
△ｙ・’△ｙ２を求める。△ｙ，＝△ｈ・（凶ｂ，一ｔ
ｙａＪ＝Ｋ．（ｔｙｂ，一ｔｙａ，）ｋ・△ｔ
．・・・・・‘１’△舷＝△ｈ・（ｔ
ｙｂ２‐ｔｙａ２）＝Ｋ．（ｔｙｂ２−ｔｙを）ｋ・△
ｔ ・・・・・・【２１但し△
ｈ：ダイオード素子（ビット）の間隔△ｔ：隣り合った
ダイオード素子をスキャンするのに要する時間ｋ ：対
物レンズ１４による像の拡大率 Ｋ ：Ｋ＝△ｈ／ｋ・△ｔから求まる時間と変位の換算
定数同様にホトダィオードアレイ２３ａ，２３ｂもスキ
ャンされ、第６図に示す如くホトダィオード素子から出
力される信号が蓮らなった形の信号２７ａ，２７ｂが出
力される。

処理回路２９ａ，２９ｂは各々上記信号２６ａ，２６ｂ
をビット処理して、第１番目のピーク値と第２番目のピ
ーク値の間の距離滋．，ｘａ２、即ち時間ｔ滋，，はａ
２、及び第２番目のピーク値と第３番目のピ−ク値の間
の距離ｘｂ，ｘＱ、即ち時間ｔか，，ｔ述２を求め、次
に示す｛３｝式及び‘４｝式から偏差△×，，△杉を求
める。ＡＸ，＝△ｈ．（ｔ刈，‐ｔｘａ，）＝Ｋ．（ｔ
刈ー−ｔＸａ，）ｋ・△ｔ ．
・・・・・【３１△袖＝△ｈ・（ｔ幼２‐ｔｘａ２）＝
Ｋ，（ｔ述２−ｔＸａ２）ｋ・△ｔ
…・・・‘４１なお、第６図に示す如く位置整合用
ターゲットパターン５ａ，５ｂが位置整合用ターゲット
パターン３ａ，３ｂに対して大きく懐いている場合には
、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
ゲットパターン５ａ，５ｂの中心位置とすればよい。更
に演習回路３０は、上記処理回路によって求められたＡ
ｘ，，△×２，△ｙ・，△ｙ２の信号にもとづいて次の
ように演算を施し、マスク１と半導体ウェハ６の相対変
位量△×，△ｙ，△■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
位置整合用ターゲットパターン３ａ，３ｂと半導体ウェ
ハ６の位置整合用ターゲットパタ−ン５ａ．５ｂとの回
転方向の相対的変位層△■は次に示す【５｝式の関係を
有する。一はｉｎＡ■＝−（△ｙ，一△ｙ２）
……【５｝上記■式の関係から次の‘６ー式の関係を有
する。

．・．△■羊１ノＬ（△ｙ，一△ｙ２）ニ＠ｏ（△ｙ，
一△均） ……‘６ｌ但し
Ｌは位置整合用ターゲットパターン５ａ，５ｂの中心間
距離であり、■ｏは１／Ｌなる値に相当する定数である
。なおＡ■が△ｙ，，△ｙ２の関係であるのは、位置整
合用ターゲットパターン５ａ，５ｂが×麹方向に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
ーゲットパターン３ａ，３ｂと半導体ゥェハ６の位置整
合用ターゲットパターン５ａ，５ｂとのＸ軸方向の相対
的変位量Ａｘは、次に示す‘７｝式及び【８）式の関係
を有する。△×ニ△×，一△○，△×ｉ△均十△Ｑ
…【７｝＾△Ｘ＝季（△＆十△均） ……‘８｝
またマスク１の位置整合用ターゲットパターン３ａ，３
ｂと半導体ウェハ６の位置整合用ターゲットパターン５
ａ，５ｂとのＹ軸方向の相対的変位量△ｙは次に示す｛
９）式及び‘ＩＱ式の関係を有する。

△ｙ＝△ｙ，十△８，△ｙ＝△ｙ２−△８ …（９
）／．△ｙ＝１／２（△ｙ，十△ｙ２） ……
００次に上記の如く求められた△×，△ｙ，△＠の相対
的変位量の信号を駆動回路３１に送信する。

駆動回路３１は求められた△×，△ｙ，△■の値だけ、
逆方向に×軸モータ１１、Ｙ軸モータ１２、モータ９を
駆動し、上記△×，△ｙ，△■が全て零になった時点で
マスク１と半導体ウェハ６は精度良く位置整合用される
。前記ホトダィオードアレィとしては、１０２４個のホ
トダィオード素子を一列に配列して２５．４柳の長さを
有するものがすでに存在する。

また位置整合用ターゲットパターンは１〜２風角にて形
成されている。従って位置整合用ターゲットパターンの
全面をホトダィオードアレィに受像させたとしてもマス
クと半導体ウェハの位置決め精度は１ムｍ〜２〃ｍ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
トダィオード素子を配列したホトダイオードアレィを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
秦則ち検知領域を受像するホトダィオード素子を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
トダイオードアレィ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。

なおホトダィ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ットパターン５ａ，５ｂと位置整合
用ターゲットパタ−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ホトダィオード素子の
信号をスキャンすると同時に電気的に集積し、Ｙ鞠方向
の位置整合用ターゲットパターン５ａ，５ｂと位置整合
用ターゲットパターン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
をスキャ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中方向に縦少した
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
ゲットパターンと周囲と異なる反射率を有する十字の紬
線にて形成され半導体ウヱハの位置整合用ターゲットパ
ターンとを童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形の線状パターンも
し〈は・印で囲んだ点列状パターンまたは正方形の透明
な線状パターン等で形成したマスクの位置合せ用ターゲ
ットパターンと、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、もしくは正方
形、十字の帯等の線状パターンで形成された半導体ウェ
ハの位置合せ用ターゲットパターンとを粗合せて童畳し
ても前記実施例と同一の作用効果が達成できるので、位
置整合用ターゲッ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は、２次元パターンをシリン
ドリカルレンズを含む光学系で一次元に圧縮された１次
パタ−ンを映像信号に変換し、この変換された映像信号
を電気的に処理してピーク位贋（中心位置）を検出して
第１の物体に形成された直線状または点列状の第１の識
別パターンと第２の物体に形成された直線状または点列
状の第２の識陣Ｕパターンとの相対位置を検出する位置
検出方式であるから、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礎がな
いので、高信頼度でもつて、且高精度に直線状パターン
または点列状パターンの位置を検出できる効果を奏する
。

また本発明によれば、座標機能を有するホトダィオード
アレイ（一次元固体糠像素子）をスキャン信号にて電気
的に走査することによって得られる信号のピーク位置（
中心位置）を検出するのでアスクマラィメント装置にも
適用でき、微細で高精度の半導体集積回路も得られる効
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図に半導体ウェハを示
した図、第３図は本発明の位置検出方式を適用したマス
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ットパターンと半導体ウェハの
位置整合用夕−ゲットパターンが重畳されたときの状態
を示した図、第６図に第３図に示すホトダィオードアレ
イにて受光される光像とホトダイオ−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門
ターゲットパターンと半導体ウェハの位置整合用ターゲ
ッ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ットパターンの例を示した
図、第９図は半導体ウェハの位置整合用ターゲットパタ
ーンの例を示した図である。 １・・・・・・マスク、３ａ，３ｂ・・・・・・位置整
合用ターゲットパターン、５ａ，５ｂ・・・・・・位置
整合用ターゲットパターン、６・・・・・・半導体ウェ
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，２
８ｂ，２９ａ，２９ｂ・・・・・・処理回路、２９・・
…・演算回路、３０・・…・駆動回路。 オ′図 矛２図 矛３図 オ４図 才５図 矛５図 才７図 才８図 オヲ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の物体に形成され、且つ直線状または点列状の
   第１の識別パターンを有する第１の２次元パターンと、
   第２の物体に形成され、且つ直線状または点列状の第２
   のの識別パターンを有する第２の２次元パターンをシリ
   ンドリカルレンズを含む光学系で上記第１及び第２の識
   別パターンの線方向に圧縮して１次元パターンとして結
   像させ、この圧縮結像された１次元パターンを撮像手段
   で映像信号に変換し、この変換された映像信号を電気的
   に処理することによつて第１の識別パターンと第２の識
   別パターンとの相対位置を検出することを特徴とする位
   置検出方式。 ２ 上記撮像手段を、１次元的に素子を配列した１次元
   固体撮像素子によつて構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の位置検出方式。