JPS61140136A

JPS61140136A - 位置合わせ方法

Info

Publication number: JPS61140136A
Application number: JP59263311A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tabata; 光雄田畑
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-13
Filing date: 1984-12-13
Publication date: 1986-06-27

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、２つの部材間の相対的な位置を合わせる方法
に係わり、特に振動型位置検出方法を用いた位置合わせ
方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

振動型位置検出方法は、光電顕微鏡等に用いられており
、高い検出感度を有することから今日では半導体製造装
［Ｌ各種の自動位置決めＩＩの位置検出法として使用さ
れるようになっている。

振動型位置検出方法の原理を光電顕微鏡に使用したとき
の例を用いて簡単に説明する。その基本構成は第７図に
示す通りであり、図中７１は光源、７２は集束レンズ、
７３はハーフミラ−１７４は対物レンズ、７５はマーク
７６が形成された被検査物、７７はスリット板、７８は
光電変換器、７９はプリアンプ、８ｏは同期検波回路、
８１は発振器、８２は振動子、８３は指示メータを示し
ている。走査機構にはスリット板７７を振動させる戯勤
子８２を使用しており、光電変換器７８の出力信号はス
リット板７７が振動しているのでマーク位置によりその
信号波形は異なる。信号波形の変位をマークの位置に対
して示すと、第８図（ａ）〜（ｉ）のようになる。第８
図から判るように、信号波形は振動周波数と等しい周波
数の同期信号となるので、マークの位置がスリットの振
動中心位置に一致するとき、即ち（ｅ）点では２借の周
波数の信号となり、基本周波数成分はゼロとなる。振動
型光電顕微鏡はこの位置を電気的に検出するものである
。また、マークの位置Ｘの変化に対して、基本周波数成
分ａＷがどのように変化するかを示したのが右回である
。この基本周波数成分の変化の仕方（出力特性曲線）は
、マーク幅、スリット幅及び振動振幅等によって変化す
るが、マーク位置がスリット振動中心に一致した（ｅ）
点ではゼロでその前後で符号が逆転するので、ゼロメー
タによる検出やサーボ系の駆動には適している。なお、
光電信号の中から基本周波数成分のみを取出し、２倍周
波数成分を消去してしまうことは、同期検波回路８０に
て容易に実現される。

ここで、マーク及びスリットの形状は通常第９図（ａ）
（ｂ）に示す如く１本の矩形状のラインで形成されるが
、位置検出の感度と位置検出範囲は第１０図に示す如く
マーク幅ｄに依存する。つまり、マークのトータル面積
が等しければ、マーク幅ｄと検出感度とは反比例の関係
にあり、マーク幅ｄと検出範囲とは比例関係にある。

ところで、近年の半導体素子のパターンの微細化に伴い
、半導体製造装置に適用される位置合わせに対しては、
０．１［μｍ］のオーダの高い精度が要求されるように
なっている。このため、上記振動型位置検出方法を用い
た位置合わせを行う場合においても、位置合わせ精度を
向上させるため、上記マーク幅を狭くする必要が生じて
いる。

しかしながら、上述した如く検出範囲の問題からマーク
幅を狭くするには限界があり、このため適当なマーク幅
が決定されることになる。このことは、位置検出精度向
上のための大きな支障となっており、高い位置合わせ精
度を求める場合に大きな問題となっている。

（発明の目的）本発明の目的は、振動型位置検出方法を利用した２つの
部材の相対的な位置合わせを、より高精度に行うことが
でき、且つその検出範囲を十分広くすることのできる位
置合わせ方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、２つの部材のそれぞれのマークを粗位
置合わせ用パターンと微位置合わせ用パターンとの組合
わせとし、粗位置合わせと微位置合わせ０２段階の位置
合わせを行うことにあり、特に粗位置合わせの際には微
位置合わせ用パターン成分の影響を無くすために、振動
位置が上記微位置合わせ用パターンのピッチの整数倍と
なった瞬間の検出出力をサンプルホールドすると云うも
のである。

ここで、２段階の位置合わせと云うのは、前述した検出
範囲を狭くすることなしに検出感度を上げなくてはなら
ないと云う命題を解決するために行うものである。つま
り、微位置合わせでは検出感度を上げるためマークのパ
ターン幅を細くするが、細くしたことで検出範囲が狭く
なってしまう。

そこで、粗位置合わせでその狭い検出範囲をカバーしよ
うとするものである。この場合に問題となるのは、位置
合わせマーク部が粗位置合わせ用パターンと微位置合わ
せ用パターンとの組合わせとなったときに、粗位置合わ
せを行う際に粗位置合わせ用パターンの信号成分に微位
置合わせ用パターンの信号成分が重畳されてしまうこと
である。

このために、粗位置合わせをスムーズに行うためには微
位置合わせ用パターンの信号成分を分離する必要があっ
た。しかし、従来の振動型位置検出の方法では、この信
号の分離は極めて困難であった。

つまり、従来の方法でこの信号の分離を行うためには、
振動の波形を矩形波に設定しなくてはならないが、完全
な矩形波で振動させることは実際には難しく、特に通常
の振動スリット法で使用される数１０［）（ｚ］以上の
周波数で矩形波の振動を機械的に発生させることは不可
能であった。

上記の問題を解決することを目的として本発明者等は鋭
意研究を重ねた結果、次のような事実を見出した。即ち
、振動の波形に制約を加えることなしに、信号の処理方
法のみによって、矩形波による振動を行った場合と同様
の効果が得られると云うことである。この信号処理とは
、振動により相異なる２つの位置にきたときの値だけを
サンプリングしホールドすると云うものである。そのと
きの２つの位置を微位置合わせ用パターンのピッチ整数
倍になるように定める。そこで、一方のサンプルホール
ドされた信号と他のサンプルホールドされた信号の差分
を求めると、マーク位置によらず微位置合わせ用パター
ンの信号成分はキャンセルされる。従って、粗位置合わ
せを行う際に、このような条件で信号検出及び信号処理
を行えば、微位置合わせ用パターンの信号成分は見掛は
上現れないので、容易に粗位置合わせが行える。つまり
、上記問題を全て解決し、より高精度な位置合わせが可
能となる。

本発明はこのような点に着目し、第１の部材に設けられ
た第１のマーク部から得られる所定のビームを第２のマ
ークが設けられた第２の部材に照射し、該第２の部材か
ら得られるビームをビーム検出器で検出すると共に、上
記ビームと第１若しくは第２の部材とを相対的に振動せ
しめ、この振動に同期して上記ビーム検出器の検出出力
を検波することにより、第１及び第２の部材の相対的な
位置ずれ量を求め、この位置ずれ量がなくなるように各
部材の相対位置を合わせる位置合わせ方法において、前
記各マーク部をそれぞれライン／スペースからなる微位
置合わせ用パターン及び粗位置合わせ用パターンで形成
し、且つ微位置合わせ用パターンを等しい幅を持つ複数
個のラインを等ピッチで並べて形成し、前記振動による
ビームと第１若しくは第２の部材との振動中心に対する
相対的なずれ量が前記微位置合わせ用パターンのピッチ
の整数倍となる異なる２点での検出出力を比較して第１
及び第２の部材の粗位置合わせを行い、次いで前記微位
置合わせ用パターンを用いて第１及び第２の部材の微位
置合わせを行うようにした方法である。

（発明の効果）本発明によれば、振動の波形を矩形波とすることなしに
、粗位置合わせ及び微位置合わせの２段階の位置合わせ
を容易に行うことができる。このため、広い範囲で高い
精度の位置検出・位置合わせが可能となる。その結果、
装置としてのアライメント性能が向上し、特に半導体製
造装置等においては製品の歩留′りが大幅に向上するた
め、その効果は′絶大である。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例に係わる位置合わせ方法に使
用した装置を示す概略構成図である。図中１１は光源で
あり、この光源１１からの光はガラスマスク（第１の部
材）１２に照射される。マスク１２は、ガラス基板の下
面に光遮蔽部材からなるマーク（第１のマーク部）１３
を形成してなるものであり、マーク１３は第２図に示す
如く微位置合わせ用パターン１３ａと粗位置合わせ用パ
ターン１３ｂとから形成されている。即ち、微位置合わ
せ用パターン１３ａは、例えば３［μ７ＦＬ］のライン
及び３［μ′ｒｒＬ］のスペース（ピッチＰ１−６μｒ
ｒｔ＞のライン／スペースからなる。粗位置合わせ用パ
ターン１３ｂは、例えば３０［μＴｒＬ］のライン及び
３０［μｍ、］のスペース（ピッチＰ２−６０μｍ、）
のライン／スペースからなる。

また、マスク１２には振動発生機構１４が接続されてい
る。この振動発生機構１４は、例えば圧電素子からなる
もので、制御部１５からの指令により差動する発振器１
６の発振出力に応じて差動する。そして、マスク１２を
前記光源１１からの光の進行方向と直交する方向に振動
するものとなっている。また、発振器１６の発振出力は
、サンプルホールド回路１７．１８にもそれぞれ供給さ
れている。

さて、マスク１２を通過した光はハーフミラ−１９及び
対物レンズ２１を介して試料（第２の部材）２２に照射
される。試料２２の上面には、前記マスク１２上のマー
ク１３と同様な形状のマーク（第２のマーク部）２３が
形成されている。試料２２で反射した光は、対物レンズ
２１及びハーフミラ−１９を介して充電変換器２５にて
受光される。光電変換器２５の検出出力は、前置増幅器
２６を介して前記サンプルホールド回路１７゜１８にそ
れぞれ供給される。サンプルホールド回路１７．１８で
は、前記発振器１６の発振出力に応じて上記前置増幅器
２６の出力をサンプリングしホールドする。そして、サ
ンプルホールド回路１７．１８の各ホールド出力は差動
増幅器２７に供給される。差動増幅器２７では、上記入
力した各信号の差分、即ち前記マスク１２と試料２２と
の相対位置ずれ量に対応する差分信号が得られる。

そして、この差分信号は前記制御部１５に供給されるも
のとなっている。

一方、前記試料２２は駆動機構２９により移動される試
料ステージ２８上に載置されている。駆動機構２９は前
記制御部１５からの指令により差動する駆動回路３０の
出力に応じて差動する。そして、前記検出された位置ず
れ量に応じて試料ステージ２８が移動され、前記マスク
１２と試料２２との相対位置が合わせられるものとなっ
ている。

次に、上記構成の装置を用いた位置合わせ方法について
説明する。

予め、それぞれ適当な精度で個々に位置決めされたマス
ク１２及び試料２２は、粗位置合わせ及び微位置合わせ
の２段階で位置合わせされる。

粗位置合わせでは、制御部１５からの指令によりマスク
振動振幅は後述する如く粗位置合わせ用（ピッチＰ１の
整数倍）に設定され、振動発生機構１４によってマスク
１２を振動させる。一方、位置合わせ用の光はマスク１
２上に設けられた位置合わせマーク１３を通過し、ハー
フミラ−１つ。

対物レンズ２１を通って試料２２上のマーク２３に照射
される。マーク２３からの反射光はレンズ２１及びハー
フミラ−１９を通って光電変換器２５で検出される。こ
の検出信号は、前置増幅器２６、サンプルホールド回路
１７．１８、差動増幅器２７等で構成される信号処理回
路を経て制御部１５に入力される。そこで、粗位置補正
量が決定され、駆動機構２９により粗位置合わせが行わ
れる。この粗位置合わせが終了すると、次に微位置合わ
せが行われる。

微位置合わせでは、マスクの振動振幅を微位置合わせ用
（ピッチＰ２の数分の１）に設定し、粗位置合わせと同
様にマスクを振動させる。以下の信号検出、信号処理及
び位置補正は粗位置合わせの場合と全く同様である。な
お、この場合振動振幅を前記ピッチＰ１の数分の１に設
定することによって、粗位置合わせ用パターン１３ｂの
影響を殆ど受けることなく、微位置合わせ用パターン１
３ａに基づく位置検出が可能となる。

ここで、本実施例の場合には粗位置合わせに特徴がある
ので、以下に粗位置合わせの場合の検出動作について第
３図を参照して説明する。マスク振動波形は第３図（ａ
）に示すように機械的な振動の容易な正弦波としている
。このときの振幅は粗位置合わせ用の値に設定されるが
、この値は次の条件を満たしておく。つまり、前記第２
図に示す如き微位置合わせ用パターン１３ａのピッチＰ
１の整数倍であることである。また、位置検出範囲の面
から考えてこの値は粗位置合わせ用パターン１３ｔ）の
ピッチＰ２の４分の１程度にするのが望ましい。第４図
（ｂ）はこの条件を満した振動をマスク１２に与えたと
きの光電変換出力（前「増幅器出力）の波形である。つ
まり、この出力には粗位置合わせ用パターンの成分に微
位置合わせ用パターンの成分が重畳された形となるが、
粗位置合わせ用パターンの成分のピーク値間隔、例えば
ｔ３−ｔｌは、微位置合わせ用パターンの成分のピーク
値間隔τの整数倍となる。この結果、サンプルホールド
で得られる波形は第３図（Ｃ）（ｄ）のように一定とな
る。従って、差動増幅器２７の出力は第３図（ｅ）に示
す如く３／４周期双降はＤＣ成分のみとなる。なお、サ
ンプルホールドのタイミングはＡ、８点で示しである。

ここで、注目すべき点はこのＤＣＣ成分の位置ずれに対
する変化は微位置合わせ用パターンの成分の影響を全く
受けないと云うことである。これは、振動振幅をピッチ
Ｐｉの整数倍にしたことに起因しており、微位置合わせ
用パターンの成分がキャンセルされるためである。従っ
て、この差動増幅器２７の出力の位置ずれに対する出力
特性は第４図のようになり、粗位置合わせ用パターンの
みの場合の出力特性と略同じ形となる。つまり、微位置
合わせ用パターンの影響を全く受けずに粗位置合わせの
ための位置検出が可能となる。

なお、比較のために同じマークパターンを使用して従来
の同期検波法を用いた場合の位置ずれに対する出力特性
を第１１図に示す。この場合には、出力は微位置合わせ
用パターン成分の影響を強く受は容易に粗位置合わせを
行うことはできない。

以上述べたように本実施例方法によれば、比較的簡単な
構成で粗位置合わせ／微位置合わせの２段階の位置合わ
せを行うことができる。特に、粗位置合わせにおいては
、微位置合わせ用パターンからの信号成分の寄与を無く
した出力特性が得られ、容易に粗位置合わせを行うこと
ができる。その結果、微位置合わせ用パターンのピッチ
を細くしても検出範囲内に追込むことが可能となるため
、位置検出感度を著しく向上させることができる。

従って、検出範囲を狭めることなく位置合わせ精度も向
上し、装置の性能アップにつながる。特に、半導体製造
装置等においては製品の歩留りは大幅に向上するため、
その効果は絶大である。

第５図は他の実施例方法に使用した位置合わせ装置を示
す概略構成図である。なお、第１図と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。この実施例
が先に説明した実施例と異なる点は、前記微位置合わせ
の際は通常と同様の同期検波回路を用いて位置検出を行
うようにしたことにある。即ち、前記前置増幅器２６の
増幅出力は切換えスイッチ５１を介してサンプルホール
ド回路１７．１８及び同期検波回路５０に供給される。

同期検波回路５０は前記発振器１６からの発振出力に同
期して上記増幅出力を検波するものである。そして、前
記差動増幅器２７の差分出力及び同期検波回路５０の検
波出力は切換えスイッチ５２を介して前記制御部１５に
供給されるものとなっている。

この装置を用いた場合、粗位置合わせを行う際には、ス
イッチ５１．５２をそれぞれＳｌ側に切換えることによ
り、先の実施例と同様に位置検出及び位置合わせが行わ
れる。また、微位置合わせを行う際には、スイッチ５１
．５２をそれぞれＳ２側に切換えることにより、同期検
波回路５０によって位置検出が行われる。ここで、微位
置合わせの際には、振動振幅が微位置合わせ用パターン
のピッチＰ１の数分の１であり、粗位置合わせ用パター
ンのピッチＰ２の数１０分の１である。

このため、同期検波の際に粗位置合わせ用パターンの影
響は殆ど生じない。従って、通常の同期検波と同様に位
置検出を行うことができる。なお、位置検出後の位置合
わせの動作に関しては先の実施例と同様である。

かくして本実施例によれば、先の実施例と同様に粗位置
合わせ及び微位置合わせを行うことができ、先の実施例
と同様な効果を得ることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記光ビームと第１若しくは第２の部材と
を振動する手段としては、第１の部材としてのマスクを
振動させる代りに、第２の部材としての試料を振動させ
るようにしてもよい。

さらに、マスター試料間の光路に振動ミラー等を設置す
るようにしてもよい。また、先の実施例では光ビームを
集束させるだめのレンズを用いたが、第６図に示す如く
マスク・試料を近接配置することにより該レンズを省略
することもできる。ざらに、前記微位置合わせ用パター
ン及び粗位置合わせ用パターンのライン、スペース及び
ピッチ等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能である。

また、電子ビーム転写装置における光電変換マスクと試
料との位置合わせに適用することも可能である。

この場合、第１の部材としてのマスクからは光電子が放
出され、第２の部材としての試料からはＸ線等が放出さ
れることになる。従って、前記光電変換器の代りにはＸ
線検出器等を用いればよい。

さらに、振動手段としては、マスクからの電子ビームを
偏向する偏向器等を用いれば良い。その他、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

ｗ１１図は本発明の一実施例に係わる位置合わせ方法を
実現するための装置を示す概略構成図、第２図はマーク
のパターン形状を示す模式図、第３図は上記実施例方法
の作用を説明するための信号波形図、第４図は位置ずれ
量に対する差動壜幅出力の変化を示す特性図、第５図は
他の実施例方法に使用した位置合わせ装置を示す概略構
成図、第６図は変形例を説明するための図、第７図乃至
第１１図はそれぞれ従来方法を説明するための図である
。１１・・・光源（ビーム照射源）、１２・・・マスク（
第１の部材）、１３・・・マーク　（第１のマーク部）
、１４・・・振動発生機構、１５・・・制御部、１６・
・・発振器、１７．１８・・・サンプルホールド回路、
１９・・・ハーフミラ−１２１・・・対物レンズ、２２
・・・試料（第２の部材）、２３・・・マーク（第２の
マーク部）、２５・・・光電変換器（ビーム検出器）、
２６・・・前置増幅器、２７・・・差動増幅器、２８・
・・試料ステージ、２９・・・駆動機構、３０・・・駆
動回路、５ｏ・・・同期検波回路、５１．５２−・・切
換えスイッチ。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図１３ａ　　　　　　　　　　　１３ｂ第４図第３図第６図館８図第９図（ａ）　　　　　　　　（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の部材に設けられた第１のマーク部から得ら
れる所定ビームを第２のマーク部が設けられた第２の部
材に照射し、該第２の部材から得られるビームをビーム
検出器で検出すると共に、上記ビームと第１若しくは第
２の部材とを相対的に振動せしめ、この振動に同期して
上記ビーム検出器の検出出力を検波することにより、第
１及び第２の部材の相対的な位置ずれ量を求め、この位
置ずれ量がなくなるように各部材の相対位置を合わせる
位置合わせ方法において、前記各マーク部をそれぞれラ
イン／スペースからなる微位置合わせ用パターン及び粗
位置合わせ用パターンで形成し、且つ微位置合わせ用パ
ターンを等しい幅を持つ複数個のラインを等ピッチで並
べて形成し、前記振動によるビームと第１若しくは第２
の部材との振動中心に対する相対的なずれ量がそれぞれ
前記微位置合わせ用パターンのピッチの整数倍となる異
なる２点での各検出出力を比較して第１及び第２の部材
の粗位置合わせを行い、次いで前記微位置合わせ用パタ
ーンを用いて第１及び第２の部材の微位置合わせを行う
ことを特徴とする位置合わせ方法。
（２）前記振動の振幅を、粗位置合わせを行う際は前記
微位置合わせ用パターンのピッチの整数倍で、微位置合
わせを行う際は前記微位置合わせ用パターンのピッチの
数分の１に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の位置合わせ方法。
（３）前記粗位置合わせを行う際の２つの検出点を、振
動振幅のピーク点に設定したことを特徴とする特許請求
の範囲第２項記載の位置合わせ方法。
（４）前記第１のマーク部には、ビーム照射源からのビ
ームが照射されることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の位置合わせ方法。
（５）前記第１の部材は光電変換マスクであり、前記第
２のマーク部は電子ビームの照射によりＸ線を発生する
材料からなり、また前記ビーム検出器はＸ線検出器であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置合
わせ方法。
（６）前記ビーム照射源は光を照射するものであり、前
記ビーム検出器は前記第２のマーク部における通過光或
いは該第２のマーク部からの反射光を検出するものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置合
わせ方法。
（７）前記ビームと第１若しくは第２の部材とを相対的
に振動する手段は、第１若しくは第２の部材をビームの
進行方向と直交する方向に振動することである特許請求
の範囲第１項記載の位置合わせ方法。
（８）前記振動の波形は、正弦波であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の位置合わせ方法。