JPS6052024A - 位置検出装置 - 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】 （波術分舒） （１） 本発明け、半導体焼付け−ｗｅｔのフォトマスクとウェ
ハの組付的アライメントのための位置検出、あるいはウ
ェハー検査装置のウェハーの絶対アライメントのための
位胃検出鳴しくけウェハープローバのスクライブライン
検出等に使われる高ｎＩ肝の位ｆＩｔ検出装貨に関する
。

（従来技術） ２物体の相対位噴合わせに適したＨ法は特開昭５５−９
０８７２や９１７５４号゛で知られてイル。例、ｆ−は
アライメントマーク・パｌ−７ｆ有する半導体＊ｉ青用
フォトマスクとウェハーを微小間隔を置いて、又は投影
光学系を挾んで配置Ｒシ、フォトマスクとウェハーのマ
ーク・パターンをスポット状又は線状のレーザービーム
で走査し、各マーク・パターンの相対位置を検出するこ
とでマスクとウェハーの位置ずれを測定する。

第１図体）はオートアライメントマーク・パターン（以
下、ＡＡパターン）の縁を形成する段差を示し、（Ｂ）
、（０）　ｌｄ：段差で得られるオードアライ（２） 偽）はウェハーの断面を拡大視してお秒、レーザービー
ムを図面に平行に走査すると、レーザービームは段差の
エツジで回折散乱する。不図示の受光系で回折散乱光を
受光し、これを電気信号に変換したものをｒＢ１図に示
しており、段等によるパルスが１′と２′である。これ
を所定のしきい値Ｖで制限し、二ｆＩＮ化して整影した
パルスが１“と２“である。このパルスを、不図示のマ
スクからの信号あるいは受光系内の基準と比較すること
で、アライメントを完了させるのに必要な誤差信号を制
定できる。

処で半導体焼付は工程ではアライメント兇了後、マスク
を照明してマスクの実素子パターン分ウェハーに転写す
るが、位置検出の時に暁にウェハー上にフォトレジスト
が一様に塗布されており、この様な透′＃、層を窃して
ＡＡパターンを検出する場合、透光層の影・履を４＠視
できないことがわかって来た。例えば入Ａパターンのエ
ツジ部から来る信号の幅が、フォトレジストを（５） 塗布する以前より広がる現象が発生し、これは信号検出
精度を低下させる。

第２図はこの現象のメカニズムを考察したものである。

第２図ｆＡ）で、１け段差のエツジで、フォトレジスト
３がこれを覆う様に塗布さレテいるものとし、段差に従
ってフォトレジストの表面は右下がりに傾斜している。

上述した公開特許に提案した暗視野下の走査方法では、
走査用のレーザービームをウェハー表面に対して垂直に
入射させる。従ってエツジが無い時には入射光は鏡面反
射し、入射した４の領域を再び契って行く。一方、パタ
ーンのエツジがある時には入射光は散乱、回折し、広く
５〜６の領域に間層波数フィルタリングすることによ抄
領穢４で示される鍵面反射による直接反射光（エツジで
回折されていない反射光）を塞ぎエツジからの光５，６
ｆ透過させ光電検出器に導く事ができる。従来公知の方
法はこの様にして散乱光を（４） 検出器に導き、ＡＡ倍信号して用いていた。

ここでレジストが塗布されている事によるエツジ検出の
影響について考える。レジストが斜めに塗布されている
嘆で、例えばレーザービーム、７，８はウエノ・−の真
のエツジには当らない所でもレジスト面のプリズム作用
で方向を曲げられ、領域５或いは６の方向に向う様に々
る。

この為第２図（Ｂ）に示す様なレジスト塗布前のＡＡ倍
信号、重布後１ｊｆｏ）に示す様に信号幅が広がってし
まう、この信号幅の広がりはレジストの塗られ方によっ
て変化するので各ＡＡマークのエツジ部での信号の幅の
変動はエツジの位置検出の際重大な誤差要因となる。

従って検出器へ入射する光の内から有害光を除去するこ
とになるが、−回の走在中に信号光と有害光の検出面上
への入射位置が変化するた・　め、検出面を分割して別
々の検出器へ導き、信号光の入射する検出器の信号を順
次取出すのが現実的である。この検出器を分割測光する
のけ上水の１東に限らず塵埃や蒸着物質の１４で散乱（
５） した有害光を鷹別する場合等にも有効である。

しかしながら分割測光する場合、１つの検出面につき＊
ａの検出器が必要になるが、これら検出器に応答性１生
、鳩ｊ虻特性等が同一のものを揃えるのけ嘱めて内錐で
あり、検出器以後の電気処理回路で調整するにしても、
検出器の受光光量が微弱な場合は悪影響が残存する不都
合がある。オた電気処理回路で調整を行うこと自体煩雑
であり、噴出性能は特性の同一な検出器で受光するのに
１ｑげないものである。

（目的） 本発明は検出性能の向上を計ることを目的とするもので
あり、そのため受光面が１１．数の区域に分割されてい
て、各受光区域から独立に電気信号を取出せる構造の検
出器を被検出物体から来る回折光の方向に合わせて配置
す石ものである。

以下、図面に従って前述の、フォトレジスト層で信号幅
が広がる現象に対処する方法を説明した後、実施ｆ１１
を説明する。

（６） 第２図（Ａ）に示すエツジ１を再び例として考える。入
射光線７．８について考えるとレジストによる影響は次
の様な２つの（見象に分解される。

その１つば７／　、　Ｂ／で示され、レジストを透過し
て、ウェハー基板で反射し、レジストを透過して行く直
接反射光である。もう１つけレジスト表面で表面反射す
る光１′、８“である。良く知られている杵にレジスト
と空気の界面での反射率は４％前後と著しく小さく、殆
どの光は直接反射光成分７／、　ｓ／と考えて良い。一
方エッジで散乱、回折される光は中心光＠１００で示さ
れる様に広い範囲の角Ｉｆにわたって広がる。従って従
来、領域５．６で示される光を部活してとってきたので
あるが、この方式をそのまま１吏用している場合、第２
図ｒｅ）の様にパルス幅を太きくしてきた主要因は透過
反射光成分７１．ｓ／である事がわかる。この７／、Ｂ
／は反射してから進む方向が領域５の方向で多、る。従
ってこの時従来検出していた領域５の光を無視し、領域
６カ）らの光のみを検出すれば、エツジに対応したＳ／
ＩＪの良い信号（７） が得られる“篠になる。

尚第２図（Ａ）のエツジは高い方から低い方への段差の
場合であるが、第３図の例は低い方から高い方への段差
のエツジの場合である。この時パルス幅を広げる主要因
となる透過反射光９′は反射した後右側の方向へ進む為
、領域６′に入る光に対応する。この場合には第２図の
場合と逆に領域５′の方の回折光を検知信号光とす７−
事によ−）でエツジとの対応の良い信号を得る事ができ
る。

以上の要求をメ現するだめの系を第４図に示す。図中、
Ａｓはレーザー光源と先走断器からｊ６シる周知の走査
光学系で、光源社レーザー以外のものも、可視不可視を
問わず使用でき、先走断器は回転多面φ、ガルバノミラ
−１音％光学素子等種々のものが使用できる。Ｗはウエ
ノ・−で、左役差１と右段差２はＡＡパターンを構成す
る。マスクとウェハーの相対アライメントの場合、ウェ
ハーＷから若干離れてマスクがＭ’６Ｗされるが、マス
クの検知については従来と同様（８） であるから、これを省略した。１０はｓ４鏡対物レンズ
、１１はコンデンサーレンズであり、１６はハーフミラ
−で、投影光路と受光光路を分岐させる。Ｐは対物レン
ズ１１の焦点面に設けた絞りである。

１２は空間周波数フィルターで、不透明部１５と透明部
１３と１４を待つ。

走査光学系Ａｓを発し斜線を施したビームは走査時間の
前と後のものを同時に描いている。

レーザービームがレジストの塗布されたウニ／Ｓ−Ｗを
走査し、段差１と２に入射すると、段差から回折した元
５，６．５′、６′はＡｓの一面即ち検出面に置かれた
空間周波数フィルター（以下フィルター）１２の透明部
１５．１４　ｋ透過する。被走査部に段差がない時の反
射光はフィルター１２の不透明部１５により遮ぎられる
。図示しである様にフィルター１２は走査面に討してフ
ーリエ変換Ｉ＠（ｔｍ面）に配置しであるので被走査面
から反射してくる角度成分が等しいもの（例えば回折光
５と５′、６と６’　）１：ｔ、フィルターの同じ（９
） 部分を通過する。第４図では回折光５．５′は透明部１
４、回折光６．６′は透明部１３をそれぞれ通過するこ
とになる。第２図（Ａ）、第３図で示した様にレジスト
による段差部からの直接反射光は、段差１では、回折光
５の中に、段差２では回折光６′の中に含まれてしまう
。この為フィルター１２において、段差１の信号として
は透明部１Ｓからの光のみを、段差２の信号としては透
明部１４からの光のみを検出することにより段差部の噴
出を高ｄＩＩ＆に行なうことが可能となる。

＃￥５図はＡＡパターンの１例を示し、ＡＡパターンを
構成するマークエレメント１７と１８は走査線５ＬＩＣ
対して４５°と一４５°を成している。レーザービーム
のスポット状又は線型の照明域は走査線５ＬＶＣ６って
ｌ１ｋＡパターンを走査する。この時、４つの段差によ
る回折光は矢印’２１．２１’、’２２．２２’、２５
．２３’、２４．２４’に示される方向に回折される。

このｋｋパターンでは段差のエツジが走査線に吋して斜
の方向性を持つため、回折光は走査線に吋して斜方向（
エツジの椀に垂直（１０） 方向）へ進む。

ソシて八にパターンがウエノ・−表面から突出している
か窪んでいるかによってレジスト表面の傾きが異なるか
ら、段差近傍で反射し、レジスト層で屈折され九透１尚
反射光の方向は異なる。

＃Ｃ６図（Ａ）は凹部でＡ入ノくターンを作成した場合
、（Ｂ）は凸部でＡＡパターンを作成し友場合である。

図中の矢印は直接反射光がレジスト層で屈折されて進む
方向を指示しており、例えば（〜図の左端の段差では２
１の方向へ進み、（Ｂ）図では２１′の方向へ進む。

従ッテ、　ウエノ１−−ＥＫ八Ａパターンを作成する際
に、凹形にするか凸形にするかを決定すれば、各段差ご
との直接反射光の進む方向、従ってＡＡパターンから来
る光の内、どの領域に混入されるか予測できることにな
る。

第７図は瞳面に配置したフィルター１２のＸＩ’面形態
を描いており、１３．１３’、１４．ｉ４’は回折光を
通過させる透明部で、括弧で囲んだ番号は、第５図の矢
印に付した番号と対応し、その方ｉ句の（１１） 光がその透明部を通過する。

本例では、レジストで屈折された直接反射光を取り込ま
ないよりに、フィルターの透明部１５゜１４　、１３’
、　１４’の内の１つからの光を検出する。即ち第６図
（Ａ）の凹形ＡＡパターンの場合、この図に矢印を書い
た回折光を取りこまない様に、レーザービームが走査さ
れる段差の頼序に従って１５’−１５−１４’−１４の
透明部の順に回折光を取り込むことにより、正規のＡＡ
倍信号形成することができる。ま？ｃ［６南（Ｂ）の凸
形ＡＡパターンの場合、１５−１５’−１４−１４’の
透明部の順に回折光を敗り込むことにより、正規のＡＡ
（１号を形成することができる。この様にＡＡパターン
の凹凸に応じて瞳面を透過する光を選択検出することで
正規のＡＡ倍信号得られる。

第５　＋ｓに形状を示すＡＡパターンで、凹形と凸形で
形成した場合の透明部Ｌ５，１４．１５’、ｉ４’（第
７図’）ｆＪｉ遇した信号を瀉８１菊（凹形）と第９を
娼（凸形）に順に示す、、第８図（Ａ）は透明部１３の
信号に対応し、（Ｂｌけ１４の信号に（Ｃ）社１ろ′（
１２） の信号に、（０）は１４′の信号に対応し、第９図（Ａ
）は１３の信号に、（Ｂ）け１４の信号に、（０１は１
３′の信号に、（Ｄ）は１４′の信号に対応する。

第８図において、ｆＡ）、（０）に、第５図左下妙のマ
ークエレメント１７のエツジからの回折光がそれぞれ２
１．２２と２４’、　２２’として取り込まれる。

ＡＡパターンの回折方向はエツジの方向により定まって
いるため、この時には透明部１４と１４′（第７図）か
らの光は検出されない。次に右下リノマークエレメント
１８のエツジからの回折光が透明＠１４と１４′を透過
して第８図の（Ｂ）、（Ｄ）に２５’、２４’と２５．
２４として取り込まれる。そして（Ａ）〜（５壕での信
号２１’、２２．２３．２４’を合成して図（１１りＫ
　示−を信号ｆ作り、これを基に演算すれは良い。

凸形のＡＡパターンの場合も同様にして、直接反射光を
避け、第９図（ｆｃ）に示す様に２１　；２２’、２４
’。

２４の合成信号を基に演算すれば良い。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。第１０図は受
光部のみを描いているが、この部分（１３） け第４図の空間周波数フィルターの位時に設けられる。

図（Ａ）はフィルター１２の直後に４分割ディテクター
（一体化されているが、４つの区域が独立に側室できる
ディテクター）の２区域３５．５５’を配電した例であ
る。本１．４には２つの区域しか示されていないが、図
（Ｂ）に描く様に、４つの透明部１に、１４．１５’、
１４’が４区域５５，５４．３５’、３４’ｒ重なる際
に、４分割ディテクターの感応域の形状をフィルター１
２の透明部の形状に一致させれば、フィルターは省略で
きる０図体）はこの様な形状の感６域を持った４分割デ
ィテクターの側面図であり１図（Ｄｉが正面図で、付番
５５の部分が感応域である。

この様にすればディテクターの各区域の応答存性、感度
特性は嫌ぼ同−Ｋかるう≧ら、検出信号に対する信頼性
は向上する。

第１１図は本発明をステッパー型の半導体焼θ４） 付装置に速用した例を示す。

図中、５０けマスク、５１はウェハーで、投影レンズ５
２けマスク５０の像をウェハー５１上に等倍又は絹小投
杉する。＋たアライメント光のＮ光々を別波長尤にした
場合は、アライメント時に２／４板５２ａを挿着し、露
光時はレンズ５２ｂを交換的に挿着する。レンズ５２ｔ
）は波長を異ならせｔことによるピントのずれを補償し
、λ／４板は偏光方向によってマスク反射とウエノ・−
反射を分けるために設ける。なお、アライメント光と露
光々が同一波長である時又は投影レンズが２波長補正さ
れている時は、レンズ５２ｂは不要となり、λ／４板５
２ａ（ｉ７固股する。

マスク５０とウェハー５１には、第１２図に示すＡＡパ
ターンを各２個ずつ設ける０例えば実線のエレメントを
ウエノ・−ニ、４線のエレメントをマスクに設ける。

５６はレーザー光源で、紙面に垂直方向に直線偏光して
いるものを使用する。５４けポリゴンミラーで等速回転
する。５５はｆ−θレンズ０ で、レーザービームを等速走査するのに役立つ。

５６は観察系であり、５７はビームスプリッタを２つの
ＡＡパターンのそれぞれに充当する。

ヒ 以下の系は左手系の右手系が対称であるから同じ番号を
付ける。

５９け偏光ビームスプリッタ−で、ＴｆｉＬ線偏光集光
レンズ、６２は第７図に示すようなフィルターで瞳面に
配され、６３け４分割ディテクターである。フィルター
６２の透明部はＡ＆マークから来る回折光の方向に合わ
せて設定する。

４分割ディテクター６３の感応区域はフィルター６２の
透明部に合わせて配置する本のとし、ウェハー５１から
来る光を受光する。６４は反射率の小さな半透鏡、６５
け１需光ビームスプリンター、６６はコンデンサーレン
ズ、６７は観察用光源である。、６８はリレーレンズ、
６９は（１め 反射部材、７０け空間周波′６Ｉｌフィルター、７１は
集光レンズ、７２は受光素子で、マスク５゜から来る光
を受光する。７３は顕微φ対物レンズ（以下、対物レン
ズ）で、マスク５０とウェハー５１とのＡＡマークを見
込む位置にセットされている。

以上の構成で、レーザー光源からのレーザービームはポ
リゴンミラー５４へ入射してここで走査される。振れ走
査されたレーザービームはｆ−θレンズ５５で平行短資
に変換された後。

ビームスプリッタ−５７を透過してプリズム５Ｂへ入射
し、例えば始めプリズム５８の左斜面で反射して左側へ
問い、途中から右斜面で反射して右側へ向う。プリズム
５８で反射したビームは偏光ビームス１リツターで反射
し、半透鏡６４を透禰して対物レンズ７３へ入射してマ
スク５０上に集光され、更に投影レンズ５２ｆｔ介して
ウェハー５１ヒに集光され、両者を走査する。まずマス
ク５０のＡＡパターンで反射された光は対物レンズ７！
１へ入射し、４いて半透−６４で（１７） 反射する。その際、半透鏡６４を透過した光は、ウェハ
ー検出用の４分割ディテクター６３へ向うが、この光は
図面に垂直々直線偏光であるから（＠光ビームスプリッ
ター５９で阻ＩＩ：これる。

半：Ａ鏡６４で反射し先光は偏光ビームスプリッタ−６
５へ入射し、マスク５０で反射し図面に垂直な直線偏光
は反射するが雑音（後述するウェハー５１で反射し図面
に平行々直線偏光）は阻止される。反射光はリレーレン
ズ６８と反射部材６９を経几後、直接反射成分はフィル
ター７０で遮断され、ＡＡパターンで散乱された成分は
集光レンズ７１で集光されて受光素子７２に入射し、マ
スク側のＡＡ傷信号なる。

仄にマスク５０を透過した走査ビームは投影レンズ５２
を屈折透過する際に４／λ板５２１Ｌに入射し、円偏光
に変換され、ウェハー５１上を走査スル。ウェハー５１
のＡＡパターンで反射された光は逆方向から４／λ板５
２ａを透過する際に先程とけ位相が９０°回転した直＃
４Ｉ偏光となり、対物レンズ７５と半透＠６４を経て偏
光ビーム（１８） スプリッター５９へ入射する。λ／４板５２ａによって
図面に平行な直線偏光になっているからつを経てフィル
ター６２の透明部で通過して４分割ディテクター６３へ
入射する。

制御演算回路８０は４分割ディテクター６３からの出力
信号を選択してウェハー５１に関するＡＡ信号を確定す
るが、これは−上述して来た規則に従って４分割ディテ
クター６３の感応区域を順次作動させるか、あるいは全
ての感応区域の出力信号を全て記憶した後、選択構成す
るかあるいは両者の中間的な方法のいずれも採用し得る
。この様にして取り入れ九ＡＡ信号と受光素子７２のマ
スク側ＡＡ信号に基づいて演−痺を実行し、その結果（
ｘ、ｙ、θ誤差）により補正機構Ｂ１を、駆動し、マス
クチャック８２を移動させてマスク５０とウェハー５１
のアライメントを達成する。但し、マスク５０の替りに
ウェハー側を移動して亀１い。

（１９） なお、ＡＡパターンとフィルターは上述のものに限られ
るわけではなく、ＡＡパターンを構成する非平行のニレ
、メント数の２倍の透明部を設ければ、種々の形状に対
処できる。

また、仮に信号のＳ／Ｎ特性を厳しく制限しなくて本良
い場合には、第５図のＡＡパターンでも信号を４つに分
けて取込寸ずに所望の信号を得ることもできる。例えば
、第８図の（Ａ）と（Ｂ）に示す信号を一緒に、オた（
Ｃ）と（ＤＪの信号を一緒に取り込んでも良い。

以−トは、フォトレジスト層のプリズム作用による信号
の冗漫化に対処する場合を説明して来たが、回折光の採
光に遺した開口を具えたマスクと分割ディテクターとの
組合せあるいは受光区域の形状が制限された分割ディテ
クターを具えた検出装置は次の様な使用法本可能である
。

即ち特開昭５３−１５５６５４号にはＡＡパターンを走
査している時に、塵埃が走査線に掛って発生した・為信
号の除去が説明されている。

ＡＡパターンを光走査した場合、パターンの（２０） エツジの方向と垂直な方向に回折光が発生することは既
に述べた１亀吟であるが、塵埃へ入射し走光はそこで全
方向へ散乱される。上述の公開公報にｎ己載された実施
例では、受光々略を分岐し、回折光と塵埃による有害光
を別々の受光素子に４いているが、第１０図（Ｂ）に示
す構成を採用しても偽信号の除去が可能である。つオり
透明部１３醍び１５′を通った光を受ける受光区域３３
及び３３′からの出力信号と透明部１４及び１４′を通
った光を受ける受光区域６４及び３４′からの出力信号
を比較した場合、回折光による信号はどちらかの出力信
号に現われるだけであるのに対して有害光による信号は
両方の出力信号に墳われる。従ってこの両方に現われる
信号を除法で消去すれば正しい検出信号が得られるわけ
である。

（効果） 以−ヒの通り検出面１ｆ分割測光する要望は種々存在す
るが、いずれも回折方向に合わせて方向を設定した分割
ディテクターを使用することで（２１） 応答時性、ＳＩ＆特性の差異に原因する検出精度の低丁
は同姓され、あるいけ複数の受光素子へ導光するための
光学系は不要になり、もしくけ導光系及び複数の受光素
子を正確に設電することの手間が減少し、！！た設置ス
ペースが著しく節約されるなど多くの利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１１違（Ａ）はウェハーの段差の断面図で、（Ｂ）、
ｃｏ）は出力信号図。第２図（Ａ）は光学挙動を説明す
る図で、（Ｂ）、（０１は出力信号図、第３図は光学挙
動を説明する図、第４図は本発明の前提となる構成を示
す光字断面図。第５図はＡＡパターン例を示す平面図。 第６図（Ａｌ、（Ｂ）はＡＡパターン部の断面図。第７
図はフィルターの平面図、第８図（Ａ）〜（１！りは出
力信号図。第９図（Ａｌ−（Ｋ）は出方信号図。 第１０図（Ａ）、（０１は実施例に係る受光部の断面図
で、（Ｂ）、（ＤＪは平面図、第１１図は別実施例の光
学断面口。第１２図はＡＡパターンの平面図。 図中１と２は段差、４は一面反射の領域、５と６は散乱
反射の領域、７′とＰ’、９’は屈折された（２２） 直接反射光、Ａｓは走査光学系、１０は頭６［対物レン
ズ、１１はコンデンサーレンズ、１２は空間周波数フィ
ルター、１３と１４．１５’、１４’は透明部、１５は
不透明部、１７と１８はＡＡパイチクターの区埴、５３
はレーザー光源、５４はポリゴンミラー、６２はフィル
ター、６３は４分割ディテクター、７３は対物レンズで
ある。 （２３）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　入射光に対して回折散乱を引起すパターンを有
   する物体の位置を検出するための装置において、前記パ
   ターンを光走査するための光走査系と、前記パターンか
   らの光を受光する受光光学系と、受光光学系に光学的に
   結合され、光が前記パターンで回折する回折方向に合わ
   せて方向付けされた複数の受光域を具えた光電変換素子
   を設けたことを特徴とする位置検出装置。 （２）前記受光域を前記受光光学系の瞳に実質上一致し
   て配電する特許請求の範囲第１項記載の位置検出装置。 （５）前記光電変換素子の受光面は径線で４分割されて
   いる特許ｌ１ｌＩ欠の範囲第１項記載の位置検出装置。