JPS61237424A - 位置合せ装置 - 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】 ［発明の分野］ 本発明は、２物体間の相対位置を合せる装置、特に半導
体装置におけるマスク（またはレチクル）とウェハの位
置合せ用として好適な位置合せ装置に関する。

［従来技術の説明１ 半導体焼付装置等において、マスク（またはレチクル）
とウェハとの位置合せは、例えばマスクおよびウェハの
それぞれに予め描かれた自動位置合せ用の７ライメント
マーク上をレーザビームで走査し、マークエツジの散乱
回折光を位置合せ情報に使用している。この場合、受光
部で光学的に直接反射光を除去した後に、それぞれの７
ライメントマークのエツジからの散乱回折光の強度を光
電変換して電気的パルスに変え、このパルス位置をりＯ
ツク計数器等で測定してアライメントマーク同志の間隔
すなわち偏位を求めることが一般に行なわれている。

具体的には、第４図（ａ）に示す様なアライメントマー
クＭをマスクに、（ｂ）に示す様なマークＷをウェハに
描いて、第５図に示す様な構成の装置により、第４図（
ｄ）に示す様に、マスク１とウェハ２のアライメントマ
ークＭ、Ｗ上をレーザビームＬで走査して各マーク同士
の偏位を求め、この偏位に応じてマスク１またはウェハ
２のいずれかを動かして、第４図（Ｃ）に示す状態にマ
スク１とウェハ２の相対的な位置合せを行なっている。

第５図は、半導体焼付装置における位置合せシステムの
１例を示す。同図において、１はマスク、２はウェハ、
３は移動ステージ、４はマスク１のパターンをウェハ２
上に転写するための投影レンズである。また、７はモー
タ６によって回転するポリゴンミラーで、レーザ光源例
えばレーザチューブ５から出射されたレーザ光は、ポリ
ゴンミラー７、ミラー８、ビームスプリッタ１１ａ　、
　１１ｂ　。

対物レンズ１０、ミラー９を経てマスク１およびウェハ
２上の７ライメントマ一クＭ、Ｗ上をスキャンする。こ
れらのアライメントマークＭ、Ｗからの散乱光はミラー
９、対物レンズ１０を通り、ビームスプリッタ１１ｂに
よって光電検出器１２ｂに向う光とビームスプリッタ１
１ａを経て光電検出１１２ａに向う光とに分れる。ここ
で光電検出器１２ａにはマスク１上のマークからの散乱
光とウェハ２上の散乱光がそのまま入り、光電検出器１
２ａの出力は第４図（ず）に示す様な信号になるが、光
電検出器１２ｂは偏光板（不図示）が付いており、マス
ク１上のマークからの散乱光のみを検出する様になって
いる。従って充電検出器１２ｂの出力は、第４図（ｅ）
に示す様にマスク１上のマークからの信号のみが現われ
る。

光電検出器１２ａおよび１２ｂの出力信号は第４図（ｆ
）および（ｅ）の様なアナログ信号であり、この信号中
、ｍはマスク１上のマークＭからの散乱光による信号、
Ｗはウェハ２上のマークＷからの散乱光による信号であ
る。これらの信号は、制御回路１３中のコンパレータ１
４ａおよび１４ｂによって２値化された後、加算器２８
によって合成され、第４図ｉ）の様なパルス列となる。

これらのパルス間隔を計測クロック発振器１５およびパ
ルス間隔測定回路１６で計測する。１７はＣＰＵで、該
測定回路１６の値を読み出し、この計数値よりマスク１
とウェハ２との相対的なずれ量を求める。そして、その
ずれ量が予めトレランスとして設定された値以下となる
様にマスク１またはウェハ２を移動することによってマ
スクとウェハの相対的な位置合せを行なう。

しかし、この時、光電検出器１２ａの出力信号の中には
アライメントマーク以外（例えば実素子用パターン等）
からの散乱光による信号も含まれている。例えば第６図
（１）の様にウェハ２上のアライメントマークが形成さ
れているエリアａ以外をレーザビームがスキレンする時
、例えばａに隣接してウェハ２上に焼付けられた回路パ
ターンまたは次の工程用のアライメントマーク等が形成
されたエリアｂがあったとすると、光電検出器１２ａか
らの信号は第６図（２）の様になる。従って、この信号
をこのまま取り込んだのではどれがアライメントマーク
からの信号か区別がつかなくなり、位置合せは困難とな
る。従って、一般には、他の光電検出器（図示せず）に
よりレーザビームのウェハ面上のスキシン開始に同期し
た第６図（３）の様な信号（以下、同期信号と称する）
ｓｙｎｃを得て、この同期信号３　ｙｎｃよりある一定
時間Ｔｐｗ遅延させた第６図（４）の様な信号（以下、
ウィンド信号と称する）を作成し、このウィンド信号に
よって前記光電検出器１２ａの出力する電気信号の中か
ら位置合せに必要なアライメントマークが存在するエリ
アａからの信号のみをゲートして取り出す様にしている
。

第７図は、アライメントマークからの信号を検出するた
めの第５図の信号測定回路部分をより詳細に示したもの
である。同図において、カウンタ２０は、前記第６図（
３）の同期信号３　ｙｎｃの到来によって第６図（４）
の時ＩＩ　Ｔ　Ｅｌｌをカウントする。

このカウント終了によって次にカウンタ２１がウィンド
信号の時ｆ！ＩＴｗをカウントし、この時７１１ＴＷの
間Ｈレベルとなるウィンド信号を発生する。

光電検出器１２ａおよび１２ｂの出力信号３ｉｇａ。

３　ｉｇｂは、コンパレータ１４ａ　、　１４ｂによっ
て２値化された後、オアゲート２８によって加算され、
アンドゲート２２によってウィンド信号がＨレベルであ
る期ＩＴｗのみパルス位置計測カウンタ２５およびパル
ス本数カウンタ２３に供給される。

カウンタ２３は、オアゲート２８からマーク検出信号が
出力される度に１ずつインクリメントしてメモリ２４の
アドレスを更新する。そして、上記ウィンド信号がＨレ
ベルである間、アンドゲート２２で上記マーク検出信号
が選択される都度、位置計測カウンタ２５の値がメモリ
２４の更新されたアドレスへ書き込まれる。ＣＰ　ＬＪ
　１７はレーザビームによるスキャン終了後、該メモリ
２４を読み出すことによりアライメントマークの位置を
知ることができる。

２６はコンパレータ１４ａおよび１４ｂのスレッシュホ
ールド電圧ｖｔｈを決定する閾値（スライスレベル）設
定回路であり、カウンタ２３の出力によってアドレスが
更新するＲＡＭとＤ／Ａコンバータ等より構成されてい
る。該ＲＡＭの内容は計測前にｃ　ｐ　Ｕ　１７によっ
てセットされる。

ピーク値検出回路２７は、ピークホールド回路、Ａ／Ｄ
コンバータおよびＲＡＭ等により構成されており、光電
検出器１２ａ　、　１２ｂからのパルス信号の到来毎に
そのピークを検出し、その値をＡ／Ｄ変換してＲＡＭへ
格納する。

次に、第５および７図を参照して従来の位置合せシステ
ムにおけるパルス間隔測定動作を説明する。

計測に先だってＣＰ　ＬＪ　１７は、先ず、適当なスレ
ッシュホールド電圧の値を閾値設定回路２６のＲＡＭへ
書き込む。しかる後にレーザビームがマスク１およびウ
ェハ２上をスキャンすると、コンパレータ１４ａおよび
１４ｂは光電検出器１２ａからの信号３　ｉｇａおよび
光電検出器１２ｂからの信号３　ｉｇｂを閾値設定回路
２６から出力されるスレッシュホールド電圧ｖｔｈと比
較してこれらの信号３ｉｇａ。

３　ｉｇｂがスレッシュホールド電圧ｖｔｈを超えた部
分でＨレベルのマーク検出信号を発生する。カウンタ２
３はこのマーク検出信号の到来毎に立ち下がりエツジで
ピーク値検出回路２７のＲＡＭのアドレスを更新し、Ｒ
ＡＭの各アドレスには光電検出器１２ａおよび１２ｂか
らの信号レベル（ピーク値）がデジタル量として記憶さ
れる（この第１回目の計測を以下「予備計測」と称する
）。次にＣＰ　Ｕ　１７は、このＲＡＭの内容を読み出
して各信号毎に適切なスレッシュホールド電圧の値を閾
値設定回路２６のＲＡＭヘセットし直す。閾値設定回路
２６は、次の計測時（以下、主計測と称する）、光電検
出器１２ａおよび１２ｂからの信号が通過する度にピー
ク値検出回路２７の出力によりＲＡＭのアドレスがイン
クリメントされ、次の信号を２値化（検出）するための
スレッシホールド電圧を出力する。この様子を第８図に
示す。

第８図（１）は、ピーク検出および２値化のためのスレ
ッシホールド電圧を出力するタイミングを示したもので
ある。ここで、ＴＩは区間■のピーク値を測定する（予
備計測時）とともに、主計測の時は区間■に対して前記
ピーク計測によって得た値をもとに所定のスレッシュホ
ールド電圧を出力する。

第８図において、光電検出器１２ｂに現れるマスクのマ
ークからの信号ｍのレベルは、一般に、光電検出器１２
ａに現れるマスクのマークからの信号ｍ′のレベルより
も大きくなる様に設定されているため、実際には第８図
の３ｉｇａのパルス列を計測することになる。

しかし、ウェハ２からの信号は、一般に、マークの信号
のない部分（ベースライン）すなわち第６図（２）のＧ
のラインが常に一様になっているとは限らず、例えばア
ルミを蒸着した工程などのウェハは、第９図（１）の様
に本来アライメントマークの無い部分にも信号Ｓ＾が発
生したり、あるいはスレッシホールド電圧を低く設定し
て第９図（２）に示すノイズＳｎを検出したりすると、
どれがウェハのマークからの信号か分らなくなり、位置
合せができなくなるというといった問題があった。

また、一度位置合せに用いたウェハのマーク部分には露
光によってマスクのパターンが転写される。このため、
このマークを再び他の工程で使用すると、マスクとウェ
ハの位置合せが行なわれる前の信号は、第１０図に示す
様に、転写されたマスクのマークの信号ｍ“が現れてマ
スクとウェハの信号の区別がつかなくなるという問題が
あった。

このため、一度ある工程で使用されたマークは次の工程
では使えず、アライメントマークは位置合せ工程の数だ
け、あるいは各工程ごとに次の工程のための新しいマー
クを用意しなければならないという問題点があった。

［発明の目的１ 本発明の目的は、位置合せ装置において、上述の様な問
題点を解決し、位置合せマークからの信号以外のノイズ
またはウェハ上の前工程で転写されたマスクのマークか
らの信号等が混入してもこれを識別除去し、正確な位置
合せを行なうことを可能とすることにある。

［実施例の説明Ｊ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

なお、従来例と共通または対応する部分については同一
の符号で表わす。

第１図は本発明の一実施例に係る信号測定回路のブロッ
ク構成を示す。同図の装置は、本発明を実施するために
改良したもので、第７図の装置に対し、パルス間隔計測
カウンタ２５、同メモリ２４およびパルス本数カウンタ
２３を各々ウェハからの信号系（Ｓｌｌａ）用とマスク
から信号系（Ｓｉｔ）ｂ）用と独立に２系統分（２４ａ
　、　２４ｂ　、　２５ａ　、　２５ｂ　。

２３ａ　、　２３ｂ　）設け、また、スレッシュホール
ド設定回路２６およびピーク値検出回路２１も各々ウェ
ハからの信号用の２６８　、２７ａとマスクからの信号
用の２６ｂ　、　２７ｂを独立に設け、更に、タイミン
グ発生回路２９およびアンドゲート３０を追加したもの
である。

タイミング発生回路２９は、第２図の同期信号３　ｙｎ
ｃの到来とともに期間Ｔ　ｐｗｌおよびＴ　ｐｗ２をカ
ウントするカウンタ２０がカウントアツプすると同時に
カウントを開始し、ＣＰ　Ｕ　１７によって予め設定さ
れた時間Ｔｏだけカウントした後、ＣＰＵ１７によって
やはり予め設定された時間ＴｅだけＬレベルとなる第２
図（４）に示す様な信号を発生する。アンドゲート２２
ａおよび３０は、この信号とカウンタ２１の発生するウ
ィンド信号により、ウェハからの信号５ｉｏａ（第２図
（２））を、第２図（５）の様なタイミングでゲートす
る。

スレッシュホールド設定回路２６ａおよびピーク値検出
回路２７ａは、上記信号によって第２図（７）のＳ＋＝
８＜の期間、各々独立にスレッシュホールド電圧を設定
し、あるいはその期間の信号のピークの最大値を検出す
る。一方、回路２６ｂおよび２７ｂは、マスクの信号３
　；ｇｂについて第２図（８）の８５およびＳ６の期間
、スレッシュホールド電圧を設定し、あるいは該期間の
信号の最大ピーク値を検出する。

ＣＰ　ＬＪ　１７は次の様に動作する。

ＣＰ　ＬＪ　１７は、まず、移動ステージ３の送り精度
に応じてウェハの信号を充分に補足出来る期間Ｔｏ　（
Ｓ＋　−８４）をタイミング発生回路２９およびカウン
タ２０．２１にセットする。次に、レーザビームによる
スキャンが行なわれると、期間８１〜Ｓ４の各々に対す
るウェハからの信号３ｉｇａのピーク値を計測する。ま
た、この時同時にマスクからの信号Ｓ　ｉａｂのピーク
値を区間Ｓ５およびＳ６について計測する。

次にＣＰ　Ｕ　１７は、期間８１〜Ｓ６の各々について
の計測値をもとに、所定の率のスレッシュホールド電圧
を設定すべく、スレッシュホールド電圧設定回路２６ａ
および２６ｂに設定すべき値を計算する。そしてこの求
めた値を回路２６ａ　、　２６ｂに設定し、次のスキャ
ンの入力信号Ｓ　：ａａ　、　Ｓ　ｉａｂにより主計測
を行なう。

ここで２値化回路１４ａ　、　１４ｂおよびパルス間隔
の計測について更に詳しく説明を行なう。第３図は、そ
の説明のための図であり、スレッシュホールド電圧ｖｔ
ｈに対して信号がｗｎの様に到来すると、２値化回路１
４ａ（または１４ｂ）はＷｎがスレッシュホールド電圧
ｖｔｈを越えた時とスレッシュホールド電圧以下となっ
た時に各々パルスを１つずつ発生する（ＰＲｎ　、ＰＦ
ｎ　）。このパルスは、例えば計測カウンタ２５ａ（ま
たは２５ｂ）の計測クロックと同じ幅のものであり、該
パルスＰＲｎ　。

ＰＦｎの発生時間ｔＲｎ、ｔＦｎより信号Ｗｎのピーク
位＠ｔｎ　　（＝　（ｉＲｎ　＋ｔｐｎ　＞／２）を求
めている。

本実施例においてＣＰ　Ｕ　１７は、第２図（６）のパ
ルス位置ｔｎを求める前に、ｔｐｎ−ｔＲｎ（−ｔｗｎ
）を計算する。ここで、ｔｗｎは信号Ｗｎを２値化した
時の信号幅を現わしており、これをレーザビーム径およ
びウェハのパターン幅等から予想して予め設定されたウ
ェハのマークからの信号の最小幅ｔｗｇ＋ｔｎと比較す
る。そして、この信号幅ｔｗｎがｔ’ｗｌｉｎよりも広
いものについてのみｔｎ（ｔＲｎ　、ｔｐｎ　＞をＣＰ
　Ｕ　１７のメモリ内に取り込む。

次にｃ　ｐ　Ｕ　１７はメモリに取り込んだ値ｔｎより
各信号Ｗｎ同士の間隔を調べる。まずｔ２−ｔｌを計算
し、この計算値を位置合せマークの寸法ＬＳとレーザビ
ームのスキャン速度と計測クロック周波数によって定ま
る一定の値ＴＳと比較する。

この比較は、ＴＳにある一定率の余裕度たとえば±５％
を考慮し、ｎ番目のパルスの計測値ｔｎと次のパルスの
計測値ｔｎ＋１について、０．９５−　Ｔｓ　＜　ｔｎ
＋１−　ｔｎ　＜　１．０５　・Ｔｓであるかどうかチ
ェックする。

上記条件を満たさなければ、これは、ウェハのアライメ
ントマークからの信号ではないと判断し、次にｔｎ＋２
−ｔｎについて同様のチェックを行なう。

このチェックはｎ番目のパルス（測定値ｔｎ）がウェハ
からの信号であると仮定して行なわれており、もしｍ番
目までさがして ｔｍ　−ｔｎ　＞　１．Ｏ５Ｔｓ となれば、ｔｎはウェハの７ライメントマークからの信
号ではなかったと判断し、ｎ＋１番目のパルスをウェハ
のアライメントマークからの信号と仮定し直して、ｔｎ
＋２−　ｔｎ＋１　、　ｔｎ＋３−　ｔｎ＋１　。

・・・・・・についてチェックを行なう。

この様にして、たとえば第２図に示す様なウェハからの
信号３ｉｇａから７ライメントマーク以外の信号たとえ
ば前回の工程で位置合わせ後焼き付けられたマークから
の信号ｍ″、マスクの信号ｍ１ノイズ信号ｎ（すなわち
Ｐｎ）等を除去し、ウェハのアライメントマークからの
信号Ｗ（同図（６）のＰｗｌ、　Ｐｗ２．　Ｐｗ３．　
Ｐｗ４）のみを検出する。

マスクからの信号３　ｉｇｂはウェハからの信号３ｉｇ
ａに比べて信号レベルも太きくＳ／Ｎもよい。

このため信号３　ｉｇｂは、第２図（８）の期−８ｓお
よびＳ６についてマスクのアライメントマークからの信
号ｍの位置検出を行なう。

この実施例によれば、複数のパターンを組み合せて作ら
れたウェハおよびマスクのアライメントマークからの散
乱光を検出して該アライメントマークの位置を検出し、
ウェハとマスクのずれ量を測定してウェハとマスクの相
対的位置合わせを行なう装置において、ウェハの送り精
度から予め定められたアライメントマークの各々のパタ
ーンからの信号を各々独立に補足出来る様なタイミング
を発生し、かかる各タイミング期間中、各々独立に信号
の最大値（ピーク値）を検出し、該検出値をもとに各々
独立にスライスレベルを設定する手段、更に、前記タイ
ミングによって２値化したパルス列の中からウェハの位
置合わせマーク間の寸法に対応した時間幅を有するパル
スの組み合わせを抽出する手段、更に、前記抽出に先だ
ってウエへのアライメントマーク幅および走査スポット
径等によって決まる予想されるウェハ上のアライメント
マークからの信号幅よりも細い信号についてはこれを除
去する手段、を設ける事によって、アルミ粗面等による
アライメントマークからの信号以外の信号、ノイズ、お
よび一度位置合せに使用してマスクからウェハ上に転写
されたアライメントマークからの信号等が混入しても、
これらを除去し正確に位置合せを行なう事が可能となっ
た。

［発明の適用例］ 前記実施例では、ウェハのマーク２本の間に１本のマス
クのマークをはさみ込むといった様なアライメントマー
クを使用する例について説明したが、マークの形状およ
び配置等はこれに限った事ではなく、たとえばマスクを
ある位置に固定し、ウェハ上に設けたアライメントマー
クのみを測定して前記マスクの固定位置に対するウェハ
の相対的なずれ最を測定し、該ずれ鑓をＯにすべくウェ
ハを駆動する様な装置においてもウェハ上のマーク近傍
のノイズ等を除去するのに本発明は適用出来るものであ
る。

［発明の効果］ 以上説明した様に本発明によれば、物体上の位置合せ用
マークを走査して得られるパルス信号の時間軸上の配列
を該マークの幾何的配列と比較し、マーク寸法に対応す
る時間配列のパルス信号のみを該マークの検出信号とし
て抽出するようにしたため、位置合せマークからの信号
以外のノイズまたはウェハ上の前工程で転写されたマス
クのマークからの信号等が混入してもこれを識別除去し
、正確な位置合せを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る信号測定回路のブロ
ック図、 第２および３図は、第１図の回路の動作波形図、第４図
は、位置合せに用いるマスクおよびウェハのアライメン
トマークを説明する図、第５図は、半導体焼付装置にお
ける従来の位置合せシステムの概略構成図、 第６図は、ウェハ上の７ライメントマークからの信号の
検出タイミングを示す図、 第７図は、第５図の信号測定回路をより詳細に示すブロ
ック図、 第８〜１０図は、アライメントマークからの信号を説明
する図である。 １：マスク、２：ウェハ、３：移動ステージ、４：投影
レンズ、５：レーザチューブ、７：ポリゴンミラー、１
１ａ　、　１１ｂ　：ビームスプリツタ、１２ａ　、　
１２ｂ　：光電検出器、１３：制御回路、１４ａ　、　
１４ｂ　：　２値化回路、１５：計測クロック発振器、
１６：パルス間隔測定回路、１７：ＣＰＵ。 ２０．２１：ウィンド信号発生用カウンタ、２２ａ　、
　２２ｂ　、　３０：アンドゲート、２６ａ　、　２６
ｂ　：閾値設定回路、２７ａ　、　２７ｂ　：ビーク値
検出回路、２９：タイミング発生回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数のパターンよりなる位置合せ用マークが設けら
   れた物体上を電気的または光学的に走査して電気信号を
   得、上記各パターンの像または各パターンからの反射光
   による上記電気信号中の各パルス信号を検出することに
   よって上記マークの存在する位置を検出し、該マークの
   検出位置より上記物体の位置を検知して該物体を所望の
   位置へ位置合せする装置であって、 上記パターンの平面的な配置寸法と上記各パルス信号の
   時間軸上の配列とを比較し、マーク寸法に対応する配列
   のパルス信号のみを該マークの検出信号として抽出する
   マーク信号抽出手段を有することを特徴とする位置合せ
   装置。 ２、前記パルス信号の時間軸上の配列の中より前記位置
   合せ用マークのパターンからの信号に対応する組合せを
   抽出するに当り、前記位置合せマークを構成するパター
   ンの最小寸法に応じて検出信号の最小幅を算出し該最小
   幅に満たない信号についてはこれをノイズとして除去す
   る手段を有する特許請求の範囲第１項記載の位置合せ装
   置。 ３、前記抽出対象のパルス信号が、前記電気信号中から
   前記位置合せ用マークを構成する個々のパターンの信号
   を各々独立に検出するため所定の検出タイミング信号を
   発生する手段と、該各検出タイミング信号の発生期間ご
   との上記パターンからの信号のピーク値を個別に検出す
   る手段と、該検出ピーク値を上記各々のパターンからの
   信号として各々独立にデジタル化する手段とにより弁別
   整形されたものである特許請求の範囲第１または２項記
   載の位置合せ装置。 ４、前記物体が、半導体製造におけるウェハまたはマス
   クである特許請求の範囲第１、２または３項記載の位置
   合せ装置。