JPS62216231A - アライメント装置 - 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、可視及び紫外光線をマスクに照射し、そのマ
スクのパターン像をテレセントリックな結像光学系（投
影レンズ）を介してウェハに投影露光する際、該露光に
先立ってマスクとウェハとを位置合わせするのに使用さ
れるアライメント装置に関し、特にテレセントリックな
結像光学系を介してウェハ等の物体上に形成されたアラ
イメント用のマークを検出するのに好適なアライメント
装置に関する。

一般に、Ｌ’ＳＩやＶＳＩ製造用焼付装置の光学レンズ
による投影露光法において、マスクのパターンはテレセ
ントリックな投影レンズを通してウェハ上に投影される
。特に、マスクパターンをウェハ上に１０分の１程度に
縮小して投影露光する装置においては、一枚のウェハ上
に同一パターンを繰り返し露光する。　そのため、各チ
ップを焼き付ける毎に、マスクとウェハの相対位置を投
影レンズを通して検出、観察し、確認することが望まし
い。

このような方式はステップアライメントまたはイーチア
ライメントと呼ばれている（以下ステップアライメント
と呼ぶ）。

そこで、従来は、上述のステップアライメントを行なう
ために、投影レンズの上部に例えば後述する第１図のご
とき観察光学系を設けてマスク上のアライメントマーク
とウェハ上のアライメントマークとの相対関係を確認し
ていた。この種のものはアライメント光学系ないし装置
と一般には呼ばれる。

ここで従来のアライメント装置の一例を第１図、第２図
を参照して説明する。両図において、結像光学系（投影
レンズ）２は投影露光として考えると像側、アライメン
トのためのマーク観察として考えると物体（ウェハ）側
のみテレセントリックになっている。側面全体図である
第１図（ａ）と正面全体図である第２図（ａ）において
、露光用光源から分離された観察用面光源９から出た光
は、コンデンサーレンズ９ａにより観察光学系（レンズ
自体の図示は省略）の瞳位置５に結像し、さらにマスク
４上のアライメントマーク１０に遮られずに結像光学系
２に達する光束は、結像光学系２の絞り位置にある入射
瞳１に光源像を作る。一方、この光束は周期構造アライ
メントマーク１１を有するウェハ３上に照明スリット６
の像を結ぶ。そして、ウェハ３上に投影されたスリット
像は投影場所に応じた反射のされ方をして、全部或いは
一部が受光素子８まで戻る。

第１図（ｂ）、第２図（ｃ）及び正面拡大図である第３
図（ａ）はウェハアライメントマーク１１の詳細な形状
を示し、第２図（ｂ）及び正面拡大図である第３図（Ｑ
）はマスクアライメントマーク１０の詳細な形状を示し
、正面拡大図である第３図（ｂ）は照明スリット６の詳
細な形状を示す。

こうした構成の従来のアライメント装置によるステップ
アライメントは以下の要領で行なわれる。

先ず、照明スリット６はウェハ３上にアライメントマー
ク１１と同じ軸郭の像を形成するように設定しておく。

ここで、照明スリット６をＸ−Ｙ面［第１図（ａ）、第
２図（ａ）参照コ内で移動させてスリット像がマスク４
のアライメントマーク１０上に投影されると、このマー
クはＣｒ等で作られているのでスリット像は全反射（正
規反射）し、観察光学系には戻ってこない。これは第１
図（ａ）に示すように、結像光学系２のマスク４側が非
テレセントリック（光軸外の主光線が傾いている）であ
り、その主光線に合わせて観察光学系の光軸を傾けてお
くからである。但しマーク周辺の極めて僅かの乱反射光
が戻る。

次に、スリット像がマスク４のアライメントマーク１０
のない所に投影されるとこの像はさらにウェハ３上に投
影される。この場合、ウェハ３のアライメントマーク１
１の存在しない所へ投影されたスリット像のときは、像
は、ウェハ３表面で全反射され、ウェハ側がテレセンド
リンクになっている為この反射光は往路と同じ光路を戻
り受光素子８に受光される。他方、ウェハアライメント
マーク１１上にスリット像が投影されたときは、ウェハ
マーク１１の格子周期にもよるが、例えば結像光学系２
の開口数（Ｎ、Ａ、）を０．２９、格子周期を４μｍ（
照明光としてのＧ線の波長をλとしてλ＝４３６ｎｍの
時）とすると、０次、±１次、±２次程度の回折光成分
は受光素子８まで戻るが、それより高次の成分と散乱光
は結像光学系２の開口数（Ｎ、Ａ、＝０．２９）以上の
広がりをもつため、受光素子８に戻らない。故に、ウェ
ハマーク部分のコントラスト低下が起こり、この低下が
信号として受光される。よって、スリット６をＸ−Ｙ面
内で動かすことで、マスクマーク１０とウェハマーク１
１の相対位置が受光素子８の出力の変動として観測され
る。

以上に加えて、ウェハマーク１１は２本のマスクマーク
１０に挟まれているので、その位置差をウェハステージ
に指示することでステップアライメントが完了される。

しかしながら、このような周期構造マークといえども、
像として観察する限り、ウェハに加えられたプロセスに
よってはコントラストが悪くなることがあり、必ずしも
満足な位置検出精度（アライメント精度）が得られると
は限らないといった欠点があった。

また、アライメントマーク作成法として、ウェハ焼込工
程を一回増加し、ウェハの異方性エツチングを利用して
ウェハ面に堀り込みマークをつけてコントラストの増大
を計る方法もある。しかし、工程の繁雑さが問題である
。

その為、最近はレーザ光を光源とし、投影レンズを通し
てＳｉｎ、アライメントマーク上にスポットを投影し、
マークからの散乱光を検出するアライメント方法も提案
されている。

しかしながら、いずれのアライメント方法においても、
アライメントのための観察光学系はマスクの上方に配置
されるが、マスクの大きさく回路パターンの大きさ）に
よりアライメント位置、すなわちアライメントマークの
マスク上での観察位置を変える場合、この観察光学系を
移動させることになる。この際、第１図に示したように
、特に結像光学系２のマスク側が非テレセンドリンクで
あると、観整光学系はその光軸がアライメント位置に応
じて傾き量を変えるような動きもしなければならない。

このことは原理的には可能であるが、装置化を考えた場
合はそれ程容易なことではない。

従って本発明は上記欠点を解決し、結像光学系を介して
マスクとウェハをアライメントする際、アライメント位
置（観察位置）に応じてマスクと結像光学系との間の主
光線の傾き量が異なった場合でも常に安定したコントラ
ストでマーク検出可能なアライメント装置を提供するこ
とを目的とする。

この目的を達成するために、本発明においては、アライ
メント用の照明光を発生する光源（水銀灯又はレーザ光
源）と；この光源からの照明光をマスクと結像光学系（
少なくともウェハ側がテレセントリックな投影レンズ）
を介してウェハに照射するとともに、マスクとウェハの
夫々に形成されたアライメント用のマークからの光情報
を検出するために、結像光学系の光軸とほぼ平行（マス
ク面に対して垂直）な光軸を有するように光源とマスク
との間に配置され、その両光軸の平行状態を保ったまま
観察位置を可変とした観察光学系と；この観察光学系の
実質的な瞳位置において、マークからの正反射光を除く
散乱光もしくは回折光を受光するとともに、前記観察光
学系による観察位置の変化に応じて実質的な瞳の面内に
おける散乱光、回折光の受光位置を可変とした光電検出
手段とを設けるようにした。

ここで、既述の従来装置の一例に反射型帯状遮光板を加
えて良好なコントラストを実現する形式の本発明の前提
となる技術を第４図。

第５図を参照して説明する。

第４図（ａ）に図示の装置において、瞳位置５の近傍に
は反射型遮光板５ａが観察系の光軸に対して傾斜して設
置されている。この反射型遮光板５ａは照明光束側から
は帯状遮光板としての働きをし、帯状開口部以外は鏡面
となっていて照明光束を制限すると共に受光素子８に対
する反射結像系を作っている。

反射型遮光板５ａのＹ輪画方向から見た様子は第４図（
ｂ）に示され、そしてウェハ３面上の周期構造アライメ
ントマーク１１の周期方向（ｙ方向）と直交するＸ方向
に帯状にのびた照明光束を制限する遮光板５ａとウェハ
アライメントマーク１１との空間的な関係は第５図（ａ
）に示されている。

そしてウェハアライメントマーク１１とマスクアライメ
ントマーク１０との関係は、焼付のための結像光学系２
の倍率を考慮し、略ウェハアライメントマークの倍率倍
の形状にマスクアライメントマーク１０ａは形成されて
いる（第３図（ｂ）参照）。

さらに、　ウェハ３上でアライメントマーク１１が存在
しないところからの正反射光が全て反射型遮光板５ａの
開口部を通過するように、スリット像を作る照明光束が
遮光板５ａの瞳中心に相当する位置に設けられた帯状（
スリット状）の開口部を通過するように設定されている
。しかし、ウェハアライメントマーク１１が存在すると
ころに照明スリット像が照射されたときに発生する反射
光については、±１次以上の回折光は反射型遮光板５ａ
の反射面に当たり０次光のみしか帯状開口部から通過し
ないようにウェハアライメントマーク１１の周期と遮光
板５ａの構造が決められている。例えば周期４μｍのウ
ェハマーク１１に垂直入射する光線に対して１次回折光
は開口数にして約±０．１程度の広がりであるから、こ
の場合は結像光学系２の射出瞳即ち照明光の回折光発生
方向に関する開口数が±０．１以下になるように反射型
遮光板５ａの構造を決めればよい。

従って、スリット像はウェハ３上でアライメントマーク
１１の存在しないときは全反射し、反射型遮光板５ａの
帯状開口部（中心部）を通ってそのまま通過し光電検出
はされない。

しかし、ウェハ３上にアライメントマーク１１があると
きは散乱と回折を起こし、回折光の大部分は反射型遮光
板５ａの鏡面に到達してそこで反射して受光素子８に入
る。これがアライメント位置信号となる。マスクアライ
メントマーク１０ａについても同様である。

本実施例によりコントラストが増大したことは第６図に
示されている。即ち、アライメントマーク信号Ｓとウェ
ハ全反射面の背景信号Ｂとの比は従来の第６図（ａ）に
図示のものから第６図（ｂ）に示されたものに増大して
いる。

尚、第５図（ｂ）に示すように、ウェハアライメントマ
ークｌｌａの格子が成る角度例えば４５６傾斜せざるを
得ないときは反射型遮光板５ａも４５°傾く。

以上の如く、本発明の前提となる技術では、照明光束を
観察光学系の瞳付近で帯状に制限すること、即ち出来る
だけ多くの光量を通過させるために周期物体の回折現象
が顕著でない照明方向についてはウェハを照射する照明
光（スリット状の像光束）の開口数を制限せずこの回折
現象が発生する照明方向については照明光の開口数を制
限しようとするものである。

一般にＨｇランプの如き照明光はレーザ光と異なり、照
明系で開口数を小さくすると光量の低下が起こって不都
合となるが、本発明は一方向のみについて照明光束の開
口数を制限するとよいという利点を利用している。こう
して帯状に制限された照明光下でマスクアライメントマ
ーク及びウェハアライメントマークから反射して帰って
くる結像光線とも言える回折光は、マスクアライメント
マーク及びウェハアライメントマークの周期が適当に決
められているなら、上記瞳付近に設けた反射型帯状遮光
板の位置では再び一次以上の回折光と正反射（正規反射
）の０次光とに分離されうる。このことは両テレセント
リックなら勿論可能だが、像側（ウェハ側）のみテレセ
ントリックな光学系でも可能である。

以上の如き原理に従うと、Ｈｇランプによる照明光のも
とでもコントラストの良いアライメント信号検出光学系
が種々得られる。いずれにせよ、Ｈｇランプ等の照明光
束を多量に通過させうる遮光板としてのメリットは大き
い。

尚、スリット状の照明光をウェハに照射する場合に、Ｈ
ｇランプの如き光束の広がる光源を用いた照明系であっ
ても、瞳位置では照明光束の一方向しか遮光しないので
光量を多量にとれて、レーザを用いて瞳の中心部分のみ
に送光する光学系装置と同等の効果が期待できる。勿論
レーザ光源等を用いてもよい。

次に、上記本発明の前提となる技術を用いた本発明の実
施例を第７図を参照して説明する。先の第４図に示した
ように、特に結像光学系２のマスク側が非テレセントリ
ック系である場合、結像光学系２の光軸外にアライメン
ト位置（観察位置）が存在すると、観察光学系の光軸は
結像光学系の傾斜した結像先主光線と一致して瞳中心（
入射瞳１の中心）を通るように系が組まれる。ところで
、マスクの大きさく具体的には回路パターンの大きさ）
が変わると、マークの位置も変わるため、アライメント
（観察）位置を変えるべく、観察光学系を移動させるこ
とが考えられる。この場合アライメント位置によって結
像光主光線の傾き量も異なってくる。そのため、アライ
メント位置を変えるたびに観察光学系の光軸の傾き量も
変わるように観察光学系を動かさなければならない。こ
のような動作は話の上では簡単であるが、装置化を考え
るとはなはだ難しい点が多い。

そこで、本実施例では第７図に示すように、観察光学系
の光軸ＡＸがマスク４の面に対して垂直、即ち結像光学
系２の光軸と平行に保たれた状態で、アライメント位置
の変化に応じて矢印Ａのように観察光学系を移動可能に
構成する。そして、先の第４図で示したような空間フィ
ルターとして機能する遮光板５ａ−１６＝ が、観察光学系の実質的な瞳位置でアライメント位置の
変化に応じて矢印Ｂの方向に動くように構成する。この
遮光板５ａの動きは。

例えば第７図のように結像光学系２の光軸に対して放射
方向にアライメント位置が変わる場合は基本的に一方向
（平行移動）でよいので装置化は極めて容易である。こ
のように遮光板５ａのスリット状開口部の位置がアライ
メント位置の変化に応じて瞳面内で動くことにより、ウ
ェハアライメントマーク１１からの正反射光（０次光）
と回折光（又は散乱光）とが常に正確に分離され、回折
光（又は散乱光）のみが受光素子８に導かれることにな
る。

尚１本発明ではこのように移動する遮光板５ａと受光素
子８の両方をもって光電検出手段としである。

以上、本発明により以下の如き効果が生みだされる。第
１に、Ｓｉウェハ上の　Ｓ　ｉ　Ｏ２（酸化シリコン）
パターンのようにコントラストが弱いパターンからの結
像光でも、正反射光と回折光（散乱光）とが明瞭に分離
でき、暗視野検出（正反射光を遮断した光検出）におい
て十分なコントラストが得られるとともに、アライメン
ト位置の変化によってもマーク検出のコントラストが安
定しているから、マーク位置（観察位置）がどこにあっ
てもよいことになる。即ち、マスク上（又はウェハ上）
のマーク配置が自由になり、マスクの設計、ウェハプロ
セスの設計が楽になるといった利点を生む。

第２に、マスク側非テレセントリックな結像光学系であ
っても、観察位置の変化による観察光学系の移動、及び
空間フィルターとして機能する光電検出手段の回折光又
は散乱光の瞳面内での受光位置の移動はともに簡単な平
行移動のみでよく、精度の向上が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は従来のアライメント装置の一例を説明
する図、第３図はウェハアライメントマーク、照明スリ
ット及びマスクアライメントマークを示す拡大図、第４
図は本発明の前提となる技術を説明する図、第５図は反
射型遮光板とウェハアライメントマークの空間的な関係
を示す図、第６図は従来のアライメント装置と第４図に
示した装置のそれとのコントラストを比較するグラフ図
、そして第７図は本発明の実施例によるアライメント装
置を説明する図である。 ［主要部分の符号の説明］ 結像光学系・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・２マスク・・・・・・・・・・・・１
・・・・・・・・・・・・・・・・・・４ウエハ■１・
ＩＩｅｌｊ＋１−・・−拳・＃＋１１争■・■・・１３
マスク面上のアライメントマーク・・・・・・１０ａウ
工ハ面上のアライメントマーク・・・１１．ｌｌａ遮光
板・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・５ａオ６図 αｒｂ、　Ｌｌ／Ｔ山　　（σ）　　　　　　　　　　
　　　　　　（■）、ｆ−７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくともウェハ側がテレセントリックな結像光学
   系を挟んでマスクとウェハとを配置し、該マスクとウェ
   ハの夫々に形成されたアライメント用のマークを検知し
   て前記マスクとウェハの相対的なアライメントを行なう
   装置において、 アライメント用の照明光を発生する光源と；該光源から
   の照明光を前記マスク及び前記結像光学系を介して前記
   ウェハに照射するとともに、前記マスクとウェハの夫々
   のマークからの光情報を検出するために、前記マスクの
   面とほぼ垂直な光軸を有するように前記光源とマスクと
   の間に配置され、前記垂直な状態を保ったまま観察位置
   を可変とした観察光学系と；該観察光学系の実質的な瞳
   位置において前記マークからの正反射光を除く散乱光も
   しくは回折光を受光するとともに、前記観察光学系によ
   る観察位置の変化に応じて前記実質的な瞳の面内におけ
   る前記散乱光もしくは回折光の受光位置を可変とした光
   電検出手段とを設けたことを特徴とするアライメント装
   置。 ２、前記光電検出手段は、前記観察光学系の実質的な瞳
   位置に配置されて、前記マークからの光情報のうちで前
   記散乱光もしくは回折光を抽出するために、所定形状の
   透明部が形成された遮光板と、該遮光板で抽出された前
   記散乱光もしくは回折光を受光して、その強度に応じた
   光電信号を出力する受光素子とを含み、前記観察位置の
   変化に応じて前記遮光板の透明部の前記瞳面上での位置
   を可変としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のアライメント装置。 ３、前記マスク又はウエハへの照明光を前記アライメン
   トマークの長手方向に伸びたスリット状にするために前
   記光源と前記観察光学系との間に配置されたスリット化
   手段をさらに有し、該スリット状の照明光を前記アライ
   メントマークと略平行に保った状態で相対的に走査した
   ときに前記ウェハから生じる正反射光が前記観察光学系
   の実質的な瞳位置で除かれるように、前記遮光板には中
   心部を含んで前記アライメントマークの長手方向と直交
   する方向に伸びたスリット状の正反射光除去部が設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   アライメント装置。