JPS62181431A - 自動整合装置 - 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】 本発明は半導体へのパターン焼付（露光）装置の自動整
合装置に関する。

半導体チップはＳｉ、　　その他の半導体基板の中に複
雑な回路パターンを何重にも重ね合わせる事によって作
製される。微細化に当っての問題点の１つは如何に細か
いパターンを半導体基板上に焼きつけられるかというこ
とであり、もう１つは何層にも重ね合わされる回路パタ
ーン同志に如何に正確に位置合わせできるかという事で
ある。一般に位置合わせの精度は回路パターンの最小線
幅のＩ１５〜１７１０以下の酷しい値が要求される。従
って現実には位置合せ（アライメント）の精度がチップ
製作の場合の制約になっている事も少なく無い。近年、
このアライメント作業を自動的に行う機能、所謂オート
アライメント機能を持った装置が登場してきたのはこの
様な背景によっている。オートアライメントは位置合わ
せ作業という単純な繰り返し作業から人間を解放し、作
業の高速化、均質化。

高精度化をもたらした。

オートアライメントの装置を設計する際の問題点は、処
理すべき信号を如何にうま（検出するかという事である
。電気の信号処理は人間が直接口で見て判断し、アライ
メント作業を行う程フレキシビリティに富んでいるわけ
ではない。従って信号をＳ／Ｎ比良（検出してやる為の
特別な工夫が焼き付け、或いは観察光学系に対して要求
される。位置合わせの対象となるレチクル（マスク）は
硝子基板に対し、クロム又はクロム−酸化クロムの薄膜
が付着し、それがパターニングされているといった単純
な構造をしている。然し乍らもう一方の対象物であるウ
ェハは何重もの回路の重ね焼き、それに伴う不純物拡散
その他の処理を受け、表面状態が千変万化する。又ウェ
ハの上には焼き付けを行う為、必ずフォトレジストの薄
膜が塗布されており、そのフォトレジストの膜厚の絶対
値、膜厚のムラ等もウェハ信号の検出に際して大きな影
響を与える。

対象物としてこの様に多様な性質を持ったウェハに対処
し、Ｓ／Ｎ比の良い信号を検知する為には従来種々の方
法が知られている。代表的なものとして本出願人になる
レーザ光で走査する方法（特開昭５２−１３２８５１）
がある。この出願では輝度の高い光源としてレーザを用
いて物体面にレーザスポット又はスリットを結像し、そ
れを走査する。更にこの出願ではＳ／Ｎ比を光学的に向
上させる為、光電的に検出する信号を散乱光のみとする
事を特徴としている。この方法をそのままレチクルを通
してウェハを観察するアライメントスコープに適用した
場合には、レーザ光の干渉性が問題となる。

特にレチクルからの信号はレチクルから直接散乱して（
る“光と、散乱した後ウェハを介して戻ってくる光とが
干渉して、時間的に揺動し、測定の不安定性を招く原因
となる。この干渉現象を除く為偏光を利用する方法が特
開昭５６−２４５０４に示されている。この出願ではレ
チクルとウェハの間の光学系の中にλ／４板に相当する
様な素子を配置してレチクルからの直接散乱光と、そう
でない光とを偏光的に分離する事を特徴としている。光
学系の中にλ／４板相当の素子を入れなければならない
事は設計上大きな制約となる。この為、従来は焼き付は
時とアライメント時にレンズの一部を切り換えてアライ
メント用のレンズにλ／４板を配置したり、光学系のミ
ラーに特殊なコーティングを施したりする事により、こ
の条件を満足させていた。

本発明は従来の焼き付は光束の通る空間の中にλ／４板
相当のものを配置するという制約を取り除き、新しい方
式でレチクルとウェハの信号を検知する事を目的とする
。本発明では、更にその検知信号に基いてレチクルとウ
ェハの相対的な自動位置合せが行われる。

更に本発明では露光光学系の色収差の影響を受けず、露
光光学系の色に対する制約、即ち焼き付は波長とアライ
メント波長の違いによる問題を解決することを目的とす
る。

更に本発明では露光光学系の性質に合致した方式をとる
事により、レチクル及びウェハ信号を効率良く取り出す
ことを目的とする。この為、本発明ではレチクルとウェ
ハの間にアライメント波長に対応した偏光ビームスプリ
ッタを用いる事を特徴としている。

本発明の詳細を以下の実施例に示す。

本発明に関連した実施例をステップ・アンド・リピート
方式の露光装置、所謂ステッパに応用した場合の例を第
１図に示す。図中１はレチクル又はマスク、２はウェハ
、３はウェハを載置するステージである。４はレチクル
（マスク）のＰ４Ｑウニハトに縮小又は等倍で露光する
露光光学系を示し、４−１が該光学系の前群、４−２が
後群を示す。本実施例では露光光学系の一部として４−
１と４−２の間にビームスプリッタ５が配置されている
。ビームスプリッタ５はアライメント用の波長と露光用
の波長が異なる場合、アライメント光には偏光ビームス
プリッタ、露光光には単なる平行平面板として働く。

アライメント光と露光光の波長が同一と見做せる様な場
合にはビームスプリッタとしての作用が優先される。ビ
ームスプリッタ５は、例えば露光光学系４の瞳の位置に
配置されると都合が良い。第１図では瞳の位置にビーム
スプリッタ５が配置された場合を示している。

レーザ源１４を出たレーザ光は集光レンズ１３を通って
回転多面鏡】２に入る。回転多面鏡１２の回転に伴って
走査されるビームはリレーレンズ１０を通過後ビームス
プリッタ５に入射する。ビームスプリッタ５で光は２分
されるわけであるが、偏光型のレーザを用いる際には予
めレーザの偏光方向を定めておくか、又は第１図の９の
様にλ／４板、又はλ／２板の様な偏光状態を調整する
素子を入れても差し支えない。１２とＩＯの間には光電
検出系へ導く為のビームスプリッタ１１が設けられてい
るが、ＩＩとして偏光ビームスプリッタを用いれば、リ
レーレンズ１０に入る光の偏光方向が自然と定まってし
まう。その場合には９としてλ／４板を用いて偏光状態
を調整すると便利である。ビームスプリッタ５はレンズ
の瞳位置に置かれているとしたが、回転多面鏡の反射点
と瞳位置とは互いに共範関係となっている。スプリッタ
５で反射したビームは光学系４−２を通すウエハ２の上
に結像し、鏡１２の回転に伴ってウェハ２上のアライメ
ントマーク部分を走査する。

リレーレンズ１０は光学系４−２を介してウェハ２の上
面にレーザスポット光が結像する様に収差補正が為され
る。ウェハ２で反射した光は再び偏光ビームスプリッタ
で反射し、リレーレンズ１０に戻ってから、１５〜１７
の光電検出系に入る。１５は暗視野時検出を行う為の空
間周波数フィルタ、１６はコンデンサーレンズ、１７は
フォトディテクタである。

暗視野フィルタ１５はポリコンの反射点と共範の位置に
ある。レーザスポット光がウェハ２上を走査しても鏡１
２の反射点は空間的な不動点であり、従って空間周波数
フィルタ１５上でもウェハ２而で正反射して戻って来る
光の位置は不動である。鏡１２から投射される光は図中
斜線を引いて示しである。

光電検出系では散乱光のみの出力が検知される。

即ち、ウェハ２で反射される光のうち散乱されない光は
投光する斜線部内の光束に再び入ってしまい、結局空間
周波数フィルタ１５でブロックされる。一方、アライメ
ントマークのパターンエツジでの散乱光は正反射に従わ
ない為、斜線部以外の部分の光路を通る。空間周波数フ
ィルタ１５の位置では、従って散乱光と非散乱光が空間
的に分離した形であられれる。フィルタ１５の効果で散
乱光のみが透過し、フォトディテクタエフに入る。

一方、偏光ビームスプリッタ５を透過した光はレチクル
のアライメントマーク情報を検知する為に用いられる。

この原理について説明する。スプリッタ５を透過した光
はλ／４板６に入射する。６の作用はミラー８で反射し
て戻ってくる光の偏光方向を変える役目を果たす。偏光
方向が変った光は、今度は偏光ビームスプリッタ５で反
射して露光光学系の前群４−１に入り、レチクル１の下
面のアライメントマーク部分に到達する。

レーザスポット走査の原理からしてレーザ光１４からの
光はレチクルｌの下面でスポットを結ばなければならな
い。その役目を担うのがレンズ７とミラー８である。そ
の為ビームスプリッタ５が光学系の瞳位置にある場合、
レンズ７はテレセントリックレンズである必要がある。

レチクル１の下面にスポットを結像させる為にはレンズ
７の光軸方向にミラー８の位置を調整すれば良い。レチ
クルｌの下面で反射、或いは散乱して戻ってきた光は先
ずスプリッタ５で反射してλ／４板６を通り、ミラー８
で反射し再びλ／４板６を通る。この時偏光方向が回転
する為、今度はスプリッタ５を通過する偏光方向となっ
てリレーレンズ系１０からフォトディテクタ１７へ導か
れて行（。

一般に瞳の位置へ偏光ビームスプリッタを入れた構成を
とると、ミラー８の位置はレンズ７の焦点位置近傍にあ
る。７から８に至る系は一種のキャッツアイ光学系を構
成している。このキャッツアイ光学系は一方で露光光学
系４−１を通してレチクル下面にレーザスポットを結ば
せている。即ち、レーザスポットをレチクル下面にもウ
ェハ上面にも同時に結像させる事が可能となったのであ
る。露光光学系４が焼き付は用の波長、例えばｇ線（４
３６ｎｍ）に対して設計された時、レーザ源１４の波長
としてＨｅ　−Ｎ　ｅの６３３ｎｍの光を選ぶと、一般
には両者の値に大きな色収差が発生する。ｇ線でレチク
ルｌとウェハ２のピントを合わせたとすると、６３３ｎ
ｍではウェハ上でレチクル像が太き（デフォーカスして
しまう。しかし、本実施例では７以下の補助光学系を用
いる事により、ｇ線でピントの合った状態で、レチクル
とウェハ双方に６３３ｎｍのスポットを形成する事がで
きる。

レチクルからの信号も同じ様に散乱光で捉えられる。こ
の様子は第１図のマスク側の斜線を引いた光束の振舞い
から明らかである。回転多面鏡１２の回転に伴ってウェ
ハ上面、及びマスク下面を走査した時に得られる散乱光
信号はフォトディテクタ１７で検知され、増幅器１８．
パルス整形回路１９を通った後、信号処理系２０に入る
。処理系２０から得られる信号に基づいてウェハ駆動装
置２１でマスク１とウェハ２の相対位置の調整を行う。

ウェハの代りにマスク１を駆動しても同じ効果が得られ
る。

その場合にはマスク側は露光光学系の倍率分だけ駆動の
精度が緩くなる。

ここで注目すべき事はマスクとウェハをそれぞれ独立に
検知しているので、マスクとウェハ間の光の干渉が全く
起こらないという事である。この為得られる信号は極め
て安定しており、繰り返し精度の良い、精度の高い計測
を行う事ができる。この安定性は本実施例の特徴であり
、以下の実施例にもすべて当てはまる。

アライメントマークとしては従来第２図の様なものが公
知である。図中２５がレチクル上のマーク、２６の点線
がウェハ上のマーク、そして一点鎖線で示した線２７が
レーザの走査線を示している。リレーレンズ１０を通し
て観察されるレチクルとウェハの像はこの様に両者が重
なって観察される。散乱光は走査線がマークに当った時
に検知され、電気的なパルス波の列に変換される。パル
ス間の相互の時間間隔を測定する事によりレチクルとウ
ェハの相対位置を検知する事ができる。

第３図に本発明に係る実施例を示した。第１図との違い
は回転多面鏡１２に入射するレーザビームの状態を異な
えた為、新たにリレーレンズ３１が配置された事と、光
電検出系の構成の違いである。第３図の系はレンズ３１
，１０．４−２を通してウェハを、又３１．　１０．７
．７．４−１を通してレチクル上を走査するが、双方と
もトータルとしてｆ−θ特性即ち走査スポットが物体面
上を等速で動（様に収差補正をする事が望ましい。第３
図中に示しであるのは走査スポットの結像関係であり、
斜線を施しである部分が入射レーザ光の有効径である。

この関係は第１図と同一である。

本実施例の最も特徴的なことは、ビームスプリッタ１１
で分割された後の光電検出系である。図中３２は瞳結像
レンズ、３３は偏光ビームスプリッタ、］５は空間周波
数フィルタ、１６はコンデンサーレンズ、１７はフォト
ディテクタである。３３の偏光ビームスプリッタを用い
たのは、ウェハ及びレチクルで反射して再び偏光ビーム
スプリッタで統合された２つの光の偏光方向がお互いに
直交している事実に着目したち、のである。

偏光ビームスプリッタ５に入射する光の偏光状態は、ウ
ェハ側とレチクル側に光が分れる様Ｐ、Ｓ両成分成分れ
ばならない。偏光型のレーザを用いる場合には、レーザ
光の偏光方向を予め所定の方向にしておけば良いが、例
えば９の位置にλ／４板を入れてＰ、Ｓ両成分を作る様
な配置も可能である。その場合には９′　の位置にもう
一つλ／４板を入れてやる必要がある。いずれにせよス
プリッタ５で再統合された光には一方の偏光方向にウェ
ハ、それと直交する偏光方向にレチクルという偏光面分
離の形で２つの情報が含まれている。これを再び分離し
て電気的に取り出し、信号処理を行うのが第３図の光電
検出系以降である。この際レチクル１からの信号は対象
物が硝子とクロム（又は酸化クロム）という反射率のか
なり異なるものなので検出は明視野で行っても良い。明
視野にするには空間周波数フィルタ１５の代りに素通し
の硝子３４を設けるか、又はフィルタ１５を取り除いて
も良い。ウェハの信号はＳ／Ｎ比からして暗視野でとら
ねばならないが、暗視野で検出できる光量は明視野より
一桁近く小さくなってしまう。従って、レチクルの信号
を明視野で取る事ができれば、最初に偏光ビームスプリ
ッタに入射するＰ成分とＳ成分の比を、例えばレーザの
偏光方向を変える事によりコントロールし、その結果ウ
ェハ側により多くの光を分配する事も可能である。ウェ
ハの明視野出力がレジスト厚などの為変化しても、偏光
で分離されている為レチクルの明視野出力は安定してＳ
／Ｎ比を良く取り出す事ができる。

又、第３図中の３５はエレクタ、３６は接眼レンズを示
し、レチクルとウェハの観察光学系を示す。

観察光学系は装置の操作上必要なものであるが、第１図
と第４図では図が繁雑になる為省略し、第３図にのみ示
した。

第４図はウェハ２と露光光学系４０の間に観察用光学系
４１，５．４２を挿入する光学系の例である。

４１〜・１２に至る光学系は倍率１の挿入光学系で、挿
入しても投影像の倍率及びピントを不変に保つ。この場
合にも偏光ビームスプリッタ５を活用すると良い。λ／
４仮６．補正レンズ４５９反射ミラー８の役割は第１図
、３図と同じである。

本実施例では露光光学系４０を介さずにウエノ１を直接
観察する事ができる点でメリットがある。露光光学系の
開口数ＮＡが小さい場合でも高いアライメント精度が要
求される事がある。その場合にはウェハを如何に分解能
良く観察できるかが問題となる。レチクルはエツジもは
っきりしていて観察し易いのに対して、ウェハは構造が
複雑だからである。本実施例では露光光学系の開口数Ｎ
Ａに関係なく観察光学系の開口数ＮＡを設定する事がで
きるので、走査スポット径を露光光学系を通した場合よ
りも小さくする事ができる。走査スポット径を小さくす
るという事は走査スポットの開口数ＮＡを大きくする事
に対応する。露光光学系で全系としての開口数ＮＡが定
まっているので、走査スポットの開口数ＮＡを太き（す
ると散乱光を取り出す全系がなくなり、検出する光電検
出出力が減少する。第４図で言えば全系の通る光束のう
ち、斜線部の占める割合が大きくなって散乱光を検出す
る部分が少なくなってしまう事に相当する。従って、ウ
ェハを直接観察するシステムは露光光学系の開口数ＮＡ
より大きい開口数ＮＡで光を検出できる為、露光光学系
を介する方式に比べ有利である。

第４図の様な系は又、露光光学系４０の透過率が悪い場
合に有利である。何故ならば、検出の難しい対象である
ウェハを直接しかも露光光学系の透過率による劣化を考
慮せずに検出する事ができるからである。一方レチクル
の方の信号は一旦ミラー８で反射した後、λ／４板６の
効果で偏光ビームスプリッタ５で反射する。然る後に露
光光学系４０を通って不図示のレチクルｌで反射散乱し
、再び元来た道を出る。第４図では瞳結像レンズ４４．
空間周波数フィルタ１５等を配置し、第１図に似た構成
をとっているが、勿論第３図の様な構成も可能である。

レチクルからの散乱光はＳ／Ｎ比が良いので、第４図の
様な方式でも十分良い信号がとれる。

この他変形例としては、レチクルと露光光学系側に偏光
ビームスプリッタを配置する例もあるが、第４図の系を
そのまま適用できるので、図示は省略する。

又、本発明はレーザ走査方式に限らず、他のオートアラ
イメントの手法、例えばＴＶやイメージセンサを用いる
方式にも容易に適用できる。

本発明により焼き付は光で互いに共範であるレチクルと
ウェハをそのままの状態で、アライメント光でピントを
合わせて検出が可能である。又、アライメント波長も任
意に選ぶ事ができる。

又、本発明はレチクルとウェハ間の干渉を無くし、両者
の信号を独立にとり出す事を可能とした。

この為安定した計測が可能となり、測定精度が向上した
。

本発明の別の効果はウェハを直接観察し、ウェハを高い
開口数Ｎ八で検出てきる事である。即ち、検出の分解能
を高め、オートアライメント精度の向上に寄与している
。

本発明の更に別の効果は、露光光学系の透過率に合わせ
た配置をとる事を可能にした事である。この為、アライ
メント波長に対して露光光学系の透過率が低い場合でも
、本発明は充分に対処し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関連した実施例の自動整合装置を露光
装置に応用した場合の配置図、 第２図はアライメントマークを示す図、　　・′第３図
は本発明に係る実施例を示す図で複数のディテクタの側
口、 第４図は第１図の他の実施例を示す図で露光光学系とウ
ェハの間に検出光学系を置く側口である。 図中１はレチクル、２はウェハ、３はウェハ載置台、４
，４０は投影光学系、５は偏光ビームスプリッタ、６は
λ／４板、７は補正レンズ、８はミラー、１０はレンズ
、１２は回転多面鏡、１４はレーザ、１５は空間周波数
フィルター、Ｉ７は）第１・ディテクタ、２０は信号処
理回路、２５．２６はオートアライメントマーク、；３
３は偏光ビームスプリッタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の基板のパターンを第２の基板上に露光するための
   露光手段と、前記第１基板に関連した第１のアライメン
   トマーク情報を明視野にて光電変換する第１の光電変換
   手段と、前記第２基板に関連した第２のアライメントマ
   ーク情報を暗視野にて光電変換する第２の光電変換手段
   と、前記第１、第２光電変換手段から出力信号に基づい
   て前記第１、第２の基板を相対的の整合する手段とを備
   えたことを特徴とする露光装置の自動整合装置。