JPS6211778B2

JPS6211778B2 -

Info

Publication number: JPS6211778B2
Application number: JP56057905A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shinozaki; Ichiro Mori; Tooru Tojo; Kazuyoshi Sugihara
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-04-17
Filing date: 1981-04-17
Publication date: 1987-03-14
Also published as: JPS57172730A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、マスク基板とウエハとを離間した状
態でこれらの相対位置を検出するマスク基板およ
びウエハの相対位置検出装置に関する。トランジスタや集積回路等の半導体素子を製造
する工程では、微細なパターンをウエハ上に複数
回形成しなければならないが、この場合、各々の
回のパターンを所定の位置に正確に整合させるこ
とが必要となる。これらの目的に使用される装置
はアライナーと総称されるが、相互に位置整合す
べきマスク基板とウエハとは、整合操作の際に相
互移動をスムーズに行うためにやむを得ず、離間
した状態に置かれる場合が多い。また、投影転写
によるパターン形成のためには、マスク基板とウ
エハとは意図的に離間した状態に置かれる。した
がつて、光学的にマスク基板およびウエハの各パ
ターンの位置を観測或いは検出するには、検出光
学系の光軸上の同一平面内にない２面の像を同一
焦点面内にいかにして結像させるかが大きな課題
である。従来、これらの要求への対応策として次の(1)〜
(4)のような手法が提唱されている。 (1) 検出光学系の対物レンズの焦点深度を可能な
限り延長して、マスク基板およびウエハの双方
を対物レンズの焦点深度内に包含する手法。 (2) Ｘ線等の直進性の鋭い光線を利用して、マス
ク基板およびウエハの双基準面を同一面化して
取り扱う手法。 (3) 第１段階として検出光学系の焦点をマスク基
板の基準パターン面に設定しマスク基板の基準
パターンを検出光学系で捕捉し、第２段階とし
て検出光学系の焦点位置を移動させてウエハ上
の基準パターンを検出光学系で捕捉する手法。 (4) マスク基板とウエハとの間に結像光学系を挿
入してウエハ上の整合すべき基準パターン面を
マスク基板上の基準パターン面に結像すること
により、マスク基板およびウエハの双面を実効
的に同一面化する手法。しかしながら、これらの手法にあつては次のよ
うな問題があつた。すなわち、前記第１および第
２の手法は整合すべきマスク基準面とウエハ基準
面とを近似的に同一面として取り扱うものであ
り、マスク基板上のパターンもウエハ上のパター
ンも明瞭度が不十分であり、相互位置情報の正確
度が悪い。このため、マスク基板の基準面とウエ
ハの基準面とが近接している場合以外には適用で
きなかつた。また、第３の手法はマスク基板上の
基準パターンとウエハ上の基準パターンとを別々
に捕捉するものであり、その間に位置検出光学系
の焦点位置の移動を伴う。このため、位置検出光
学系の焦点移動動作に伴う誤差が常に重畳される
ことになり、したがつて相互位置情報の正確度が
悪い。一方、前記第４の手法は原理的には優れている
が、位置検出のための結像光学系をマスク基板と
ウエハとの間に別途挿入しなければならないた
め、結像光学系の位置精度、再現性および双面を
共役関係に配置するための焦点調節精度等の解決
すべき難問題が山積している。また、マスク基板
とウエハとの間隔が十分に離間していない場合へ
の適用は不可能であつた。本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的とするところは、マスク基板とウエハと
を離間した状態でこれらの相対位置を検出するに
際し、検出光学系を移動させることなくマスク基
板およびウエハの相互位置情報を得ることがで
き、検出光学系の移動に伴う位置検出誤差の発生
を未然に防止し、高精度な位置検出を行い得るマ
スク基板およびウエハの相対位置検出装置を提供
することにある。また、本発明の他の目的は、マスク基板とウエ
ハとの間に特別な結像光学系を別途挿入すること
なく、上記位置検出を高精度に、かつ容易に行い
得るマスク基板およびウエハの相対位置検出装置
を提供することにある。まず、本発明の概要を説明する。本発明は、マ
スク基板上のマスク用整合基準およびウエハ上の
ウエハ用整合基準を波長の異なる第１および第２
の単色光で照明し、上記マスク用整合基準および
ウエハ用整合基準の各位置情報をフレネルゾーン
プレートを介して同一平面上に投影すると共に、
このフレネルゾーンプレートを介して同一平面上
に結像された上記各整合基準の像を検出光学系に
て検出するようにしたものである。第１図は本発明の原理を説明するための模式図
である。図中１はマスク基板で、このマスク基板
１の下面（主面）にはマスク用整合基準２が設け
られている。マスク基板１の下方部にはウエハ３
がマスク基板１と離間対向配置されている。ウエ
ハ３の上面（主面）には上記マスク用整合基準２
に対応するウエハ用整合基準４が設けられてい
る。一方、第１図中５，６は相互に異なる波長の
単色光を発光する光源であり、例えば半導体レー
ザ素子から形成されている。第１の光源５からの
第１の単色光（波長λ_１）は、シヤツタ７が開い
た状態でプリズム８，９を介して前記マスク用整
合基準２およびウエハ用整合基準４に照射され
る。第２の光源６からの第２の単色光（波長λ
_２）は、シヤツタ１０が開いた状態で上記第１の
単色光と同様にプリズム８，９を介して前記各整
合基準２，４に照射される。そして、マスク用整
合基準２およびウエハ用整合基準４の各位置情報
は、プリズム９、フレネルゾーンプレート１１お
よびリレーレンズ１２を介して、例えばホトダイ
オード或いはCCD等の受光素子からなる光電検
出器１３にて検出されるものとなつている。ところで、フレネルゾーンプレート１１は結像
作用を有する平面光学素子であり、使用光に対し
吸収係数の大なる部材による遮光部（輪帯）と、
使用光に対し吸収係数の小なる部材による透光部
（輪帯）とを交互に配列して形成されている。フ
レネルゾーンプレート１１の焦点距離をｆとする
と、その中心からＮ番目の輪帯の幅Ｂ_NはＢ_N＝√・（√−√−１） ……(1) で表わされる。ただし、λは使用光の波長であ
る。上記第１式から明らかなようにフレネルゾー
ンプレート１１は、異なる波長の光を使用するこ
とによりその焦点距離が異なることが判る。本発
明はこの点に着目してなされたものである。ここで、波長λ_１の第１の単色光に対し焦点距
離f₁を有するフレネルゾーンプレート１１を結像
位置に設置し、マスク基板１上のマスク用整合基
準２に焦点を合わせたとき、マスク基板１とウエ
ハ３との間隔がｄであれば f₁・λ_１＝（f₁＋ｄ）λ_２ ……(2) なる関係を満足する波長λ_２の第２の単色光を使
用すれば、フレネルゾーンプレート１１はウエハ
用整合基準４に対しても結像関係が成立し、その
焦点が合う。つまり、第１の単色光によるマスク
用整合基準２の位置情報（反射或いは散乱光）
は、フレネルゾーンプレート１１を介して平行化
され、リレーレンズ１２により光電検出器１３の
受光面に収束される。さらに、第２の単色光によ
るウエハ用整合基準４の位置情報も上記フレネル
ゾーンプレート１１およびリレーレンズ１２を介
して光電検出器１３の受光面に収束される。すな
わち、マスク用整合基準２およびウエハ用整合基
準４の各像が光電検出器１３の受光面上にそれぞ
れ結像され、これにより光電検出器１３でマスク
基板１およびウエハ３の相互位置情報が得られる
ことになる。ここで、光電検出器１３に記憶装置
や演算装置等を接続し、前記シヤツタ７，１０を
順次開閉操作すれば、マスク用整合基準２の位置
情報およびウエハ用整合基準４の位置情報が順次
記憶され、さらに演算されてマスク基板１とウエ
ハ３との相対位置情報が得られることになる。尚
実際マスク基板１とウエハ３との相対位置を検出
する為には、マスク基板１及びウエハ３に夫々少
なくとも３ケ所以上の整合基準２，４を設け、そ
の整合基準に対応してフレネルゾーンプレート１
１を設ける必要がある。このようにして始めてマ
スク基板１とウエハとのｘ，ｙ，ｚ方向の位置
（相対位置）を検出できる。このように本発明によれば、リレーレンズ１２
および光電検出器１３等からなる検出光学系を移
動させることなく、離間した状態にあるマスク基
板１とウエハ３との相対位置を検出することがで
きる。このため、検出光学系の移動に伴う位置検
出誤差発生等を未然に防止することができ、検出
精度の大幅な向上をはかり得ると云う効果を奏す
る。また、マスク基板１とウエハ３との間に特別
な結像光学系を挿入する必要もなく、上記位置検
出を高精度に、かつ容易に行い得る等の利点があ
る。なお、前記フレネルゾーンプレート１１の配置
位置は、マスク基板１から第１の単色光に対する
焦点距離f₁だけ離した点に限るものではなく、例
えば第２図に示す如くフレネルゾーンプレート１
１によりマスク用整合基準２およびウエハ用整合
基準４の各像が光電検出器１３の受光面上に直接
結像する位置でもよい。この場合、フレネルゾー
ンプレート１１と光電検出器１３との間隔をＬ、
同プレート１１とマスク基板１との間隔をl₁、同
プレート１１とウエハ３との間隔をl₂とし、フレ
ネルゾーンプレート１１の第１の単色光および第
２の単色光に対する焦点距離をそれぞれf₁，f₂と
し、次の関係が成立するようにすればよい。ただし、上記第３式においてｍはウエハ用整合
基準４を光電検出器１１上に投影する倍率であ
る。次に、本発明を光電面マスク型電子ビーム転写
装置の位置整合機構に適用した実施例について説
明する。光電面マスク型電子ビーム転写法では、
マスク基板とウエハとが約10〔mm〕離間された状
態で転写が行われる。したがつて、マスク基板と
ウエハとの相対位置検出および位置整合操作もこ
れらを離間した状態で行うことが最も望ましい。マスク基板１として厚さｔ＝５〔mm〕の石英基
板を用い、マスク基板１とウエハ３との間隔ｄを
10〔mm〕に設定した。第１の単色光をHe―Neレ
ーザ（波長λ_１＝6328Å）とし、第２の単色光を
Arレーザ（波長λ_２＝5145Å）とすると、形成
すべきフレネルゾーンプレート１１のＮ番目の輪
帯幅Ｂ_Nは前記第１式より次の第１表に示す仕様
になる。

【表】厚さ２〔mm〕の石英基板上にクロム膜を1000
〔Å〕被着し、上記第１表の仕様に基づいて輪帯
状（２次元）のフレネルゾーンパターンを形成
し、フレネルゾーンプレート１１を製作した。そ
して、このフレネルゾーンプレート１１を前記第
１図に示した光学系に配置すると共に、各各整合
基準を有するマスク基板１およびウエハ３を装着
し、次のようにしてマスク基板１とウエハ３との
相対位置検出を行つた。まず、前記シヤツタ７を開き第１の光源５から
のHe―Neレーザ光をプリズム８，９を介してマ
スク基板１の主面上のマスク用整合基準２に照射
する。マスク用整合基準２から反射散乱された光
を、上記フレネルゾーンプレート１１およびリレ
ーレンズ１２により光電検出器１３の受光面上に
収束させ、マスク用整合基準２の位置を検出する
と共にその位置情報を記憶した。しかるのち、シ
ヤツタ７を閉じると共にシヤツタ１０を開き、第
２の光源６からのArレーザ光をウエハ３上のウ
エハ用整合基準４に照射する。ウエハ用整合基準
４から反射散乱された光を上記と同様にして光電
検出器１３に導きウエハ用整合基準４の位置を検
出した。そして、この位置情報と既に記憶したマ
スク用整合基準２の位置情報とを比較演算し、マ
スク基板１とウエハ３との相対位置検出を行つた
ところ、その検出精度は0.05〔μｍ〕と高い値を
示した。次に、本発明の他の実施例について説明する。
前記第２図に示す光学系を構成し、マスク基板１
は厚さ５〔mm〕の石英で形成し、マスク基板１と
ウエハ３との間隔ｄは10〔mm〕とした。また、第
１の単色光をHe―Neレーザ（波長λ_１＝6328
Å）とし、第２の単色光をArレーザ（波長λ_２
＝4880Å）とした。そして、前記倍率ｍを５と設
定し、前記第３式に基づいて上記第１および第２
の単色光に対応するフレネルゾーンプレート１１
の焦点距離f₁，f₂を計算するとf₁＝24.475〔mm〕、
f₂＝31.737〔mm〕となる。したがつて、形成すべ
きフレネルゾーンプレート１１のＮ番目の輪帯幅
Ｂ_Nは次の第２表に示す仕様となる。

【表】厚さ２〔mm〕の石英基板上にクロム膜を1000
〔Å〕被着し、上記第２表の仕様に基づいて一次
元のフレネルゾーンパターンを形成し、フレネル
ゾーンプレート１１を製作した。そして、このフ
レネルゾーンプレート１１を前記第２図に示す光
学系に配置すると共に、同プレート１１のパター
ンと同一方向に１次元の整合基準を有するマスク
基板１およびウエハ３を装着し、先の実施例と同
様にしてマスク基板１とウエハ３との相対位置検
出を行つたところ、この場合も検出精度0.05〔μ
ｍ〕と高い値が得られた。なお、本発明は上述した各実施例に限定される
ものではない。例えば、前記フレネルゾーンプレ
ートを形成するには同プレートの遮光部としてク
ロム膜、同プレートの透光部として石英に限るも
のではなく、石英の代りには使用光に対し吸収係
数の小なる部材、クロム膜の代りには使用光に対
し吸収係数の大なる部材であればよい。さらに、
フレネルゾーンプレートの中心からＮ番目の輪帯
幅Ｂ_N、第１および第２の単色光の波長λ_１，λ
_２等は、マスク基板とウエハとの距離やその他の
仕様に応じて適宜定めればよい。また、単色光を
照射する手段としてはレーザ装置を用いる代り
に、白色光を単色フイルタを介して取り出すよう
にしてもよく、照射する方向は実施例に於ける落
射方向に限定されるものではなく、透過方向ある
いは斜方向であつてもよい。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】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の原理的
構成を示す模式図である。１…マスク基板、２…マスク用整合基準、３…
ウエハ、４…ウエハ用整合基準、５，６…光源、
７，１０…シヤツタ、８，９…プリズム、１１…
フレネルゾーンプレート、１２…集光レンズ、１
３…光電検出器。

Claims

【特許請求の範囲】１マスク基板とウエハとを離間した状態でこれ
らの相対位置を検出するマスク基板およびウエハ
の相対位置検出装置において、上記マスク基板上
のマスク用整合基準を所定波長の第１の単色光で
照明すると共に、上記ウエハ上のウエハ用整合基
準を上記第１の単色光と異なる波長の第２の単色
光で照明する照明光学系と、上記マスク用および
ウエハ用の各整合基準を同一平面上に投影するフ
レネルゾーンプレートと、このフレネルゾーンプ
レートを介して同一平面上に結像された前記各整
合基準の像を検出する検出光学系とを具備してな
ることを特徴とするマスク基板およびウエハの相
対位置検出装置。２前記フレネルゾーンプレートと前記マスク基
板との間隔を前記第１の単色光に対するフレネル
ゾーンプレートの焦点距離に等しく設定すると共
に、前記フレネルゾーンプレートと前記ウエハと
の間隔を前記第２の単色光に対するフレネルゾー
ンプレートの焦点距離に等しく設定したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のマスク基板
およびウエハの相対位置検出装置。３前記フレネルゾーンプレートとして、１次元
のものを用いたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のマスク基板およびウエハの相対位置
検出装置。