JPS62224024A - 光学的位置合わせ装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、投影露光装置等に組込まれる光学的位置合わ
せ装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、ＬＳＩ等半導体素子の回路パターンの微細化に伴
い、パターン転写手段として高解像性能を有する光学式
投影露光装置が広く使用されるようになっている。この
ような装置を用いて転写を行う場合、露光に先たちマス
クに対するウェハの位置を光軸に垂直な方向及び光軸方
向共に高精度に合致させることが必要である。

光軸方向の位置合わせはフォーカス調整と称され、神々
の方法が提案されているが、特にオフアクシス方式とＴ
　Ｔ　Ｌ　（Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　１ｅｎｓ）方式
に大別できる。オフアクシス方式には光でこ方式と呼ば
れる方式がある。これは、スリット像を投影光学系とは
異なる光学系を通してウェハ上に斜めから投影し、ウェ
ハからの反射光を他の光学系により取り出し、スリット
像の受光素子上の位置ずれを検出することによりウェハ
の露光投影光学系の光軸方向のずれを検知する方式であ
る。この先てこ方式は結像物体であるウェハに対する対
象物体であるマスクの位置合わせを、マスクの像をウェ
ハ上に形成する投影光学系とは別個の光学系によって行
うため、投影光学系自体をいたずらに複雑にせず、位置
合わせ可能な範囲を比較的容易に広くすることができる
利点を有する。しかし、マスクとウェハの適正な基準位
置関係を決めるには、ウェハの焼付実験等を繰り返さな
ければならず、この準備ステップを要するなど大きな問
題があった。

なお、光軸方向の位置合わせて有効なＴＴＬ方式のもの
は従来提供されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、上述の従来の光学的位置合わせ装置の問題点
に鑑みなされたものであって、オフアクシス方式による
基準位置の設定をウェハの焼付実験等の繁雑な作業によ
らず高精度に行うことができる光学的位置合わせ装置を
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため以下の構成を有する。

すなわち、本発明に係る光学的位置合わせ装置は、対象
物体の投影像の結像面内であって、投影光学系の光軸を
基準にした所定位置に結像物体を高精度に位置決めする
光学的位置合わせ装置において、上記対象物体と上記結
像物体とを相対的に上記光軸の方向及びこれと直交する
横方向に移動させる移動部と、上記投影光学系の光軸と
異なる方向からスリット像、スポット像等の光学像を上
記結像物体上に投影光学像投影光学系と、上記光学像を
形成する光束を上記光軸と異なる方向から受光して光電
センサ例えば、リニアセンサ上に投影して上記結像物体
の光軸方向の位置を検出する検出光学系と、上記結像物
体に設けた２次元グレーティングパターンと、該２次元
グレーティングパターンを照明する照明系と、上記投影
光学系により２次元グレーティングパターンの像が投影
される対象物体上に上記２次元グレーティングパターン
のいずれか一方のグレーティング方向と一致したグレー
ティング方向に設けられた１次元グレーティングパター
ンと、上記２次元グレーティングパターンと上記１次元
グレーティングパターンによって回折された光束を集光
する集光部材と、上記集光部材により集光された光束の
うち（ｎ、０）；　（ｎ、＋ｍ）；　（ｎ、−ｍ）の各
次回折光（ｎ、ｍは０でない整数で、±ｍは上記一致し
たグレーティング方向の回折次数を示し、ｎはこれと直
交するグレーティング方向の回折次数を示す）を受光す
る第１受光器、第２受光器、第３受光器と、上記光電セ
ンサの出力が基準値となるように上記移動テーブルを上
記光軸方向に調整し、上記第１受光器の出力が最大とな
るように移動テーブルを横方向に調整する位置合わせ機
能及　　　゛び上記第２受光器と上記第３受光器の出力
差が上記結像物体の横方向の移動によっても略零である
ように上記結像物体を光軸方向に移動調整し、このとき
の上記光電センサの出力を上記基準値とするキャリブレ
ーション機能を有する制御部とて構成される。

〔発明の効果〕

本発明は、上述のように、オフアクシス方式の位置合わ
せの基準をＴＴＬ方式の回折光を利用した位置合わせに
よって定めるので位置合わせ範囲が広く、高精度の位置
合わせを行うことができる効果を有する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例の光学的位置合わせ装置を組込ん
だ投影露光装置について説明を行う。該露光装置は、第
１図に示すように、回路パターン１４をウェハ１２上に
投影する投詑光学系１０と、ウェハ１２を図示のＸ軸方
向に関し位置合わせすなわちアライメント調整するため
のＴＴＬ位置合わせ系１００と、ウェハ１２を投影光学
系１０の光軸ＬＯａ方向に関し位置合わせすなわちフォ
ーカシング調整するため光てこ位置合わせ系２００と、
制御系３００とを有する。なお、ＴＴＬ位置合わせ系１
００は、光てこ位置合わせ系２００のキャリブレーショ
ン用のフォーカシング調整機能も持っている。

投影光学系１０は、マスク１６に設けられた回路パター
ン１４の像を、投影レンズ１１によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
の方向へ位置調整可能な移動部である移動テーブル１８
上に載置されたウェハ１２上に結像させるように構成さ
れる。

ＴＴＬ位置合わせ系１００は、前述のＴＴＬ方式のもの
であって、レーザー光源等である光源１３６と、光源１
３６の前方に配置されたリレーレンズ１３８と、リレー
レンズ１３８の前方に配置されたハーフミラ−１４０と
、投影レンズ１１とを包含する。ＴＴＬ位置合わせ系１
００は、さらに、ウェハ１２の周辺部に設けられた反射
式グレーティングパターン１２２と、マスク１６の周辺
部に設けられた透過式グレーティングパターン１２０（
反射式グレーティングパターン１２２と透過式グレーテ
ィングパターン１２０とは、投影光学系１０の倍率を考
慮すると等ピッチとなるように設けられている）と、透
過式グレーティングパターン１２０からの光束を反射す
るミラー１４２と、ミラー１４２の後方に配置された集
光レンズ１４４と、光電検出器１４８とを有する。光電
検出器１４８は３個の独立した検出素子１４８ａ。

１４８ｂ、１４８ｃからなる。

反射式グレーティングパターン１２２は、第２図に示す
ように、ウェハ１２の周辺部の矩型領域１２３に複数の
凹部（又は凸部）１２５を設け、矩型領域１２３全体を
反射処理して構成される。

矩型領域１２３における凹部１２５とその他の部分との
高さの差は例えば０．４ないし、３μｍである。

透過式グレーティングパターン１２０は、第３図に示す
ように、マスク１６上の回路パターン１４と重畳しない
周辺部に複数の長方形の不透明部１３０をＸ軸方向くこ
の方向をグレーティングパターン１２０のグレーティン
グ方向という。）に並べて形成される。

リレーレンズ１３８はその前側焦点位置が投Ｘレンズ１
１の１）ｉｔＰ上にあるように配置される。従って、光
源１３６、リレーレンズ１３８及び投影レンズ１１はテ
レセントリック照明光学系を形成し、ウェハ１２を平行
光束で照明する。そして、照明されたグレーティングパ
ターン１２２は、±１次までの回折光を考えると、第１
図に示すように、リレーレンズ１３８の＠Ｐ上に対称的
に位置する９個の回折像が現われる。集光レンズ１４４
は瞳Ｐと光電検出器１４８がほぼ共役となるように形成
され、反射式グレーティングパターン１２２による反射
光束は透過式グレーティングパターン１２０により透過
回折された後、光電検出器１４８上に９個の０次及び±
１次の回折光を出現させる。

光電検出器１４８は受光素子１４８ａ、１４８　ｂ。

１４８Ｃが各々主光線すなわち（０，０）次の回折光を
含まない実質的にＸ軸方向に並んだ３つの（１，０）、
（１，１）、（１，−１）次の回折光を形成する光束を
独立に受光するように配置される。

ここで、上記ＴＴＬ位置合わせ系１００の位置合わせ原
理について説明する。光電検出器１４８の位置には±１
次までの回折光を考えると、第４図に示すように、（０
，０）次の回折光を対称中心としてこれを含めて９個の
（１，１＞、（１゜０）、（１，−１）、（０，１）、
（０，Ｏ）、（０，−１）、（−１，１）、（−１，０
）、（−１，−１）次の回折光が現われる。ここで第４
図において（ｉ、　　ｊ）は回折光又は回折像の２次元
的表現であり、１はウェハ１２上でのグレーティングパ
ターン１２２による光軸１０ａと直交するＹ軸方向の回
折次数を示し、Ｊはウェハ１２」二でのグレーティング
パターン１２２によるＸ軸方向の回折次数とマスクＩＧ
上のグレーティングパターン１２０による回折次数の和
を示す。

理論解析によれば、（１，０）次の回折光の強度■。は
、 Ｌ　＝ また（、±１）次回折光の光強度Ｉヵ、はである。ここ
で Δニゲレーティングの回折効率で決まる定数Ｐ：ウエハ
１２上の回折格子のＸ軸方向のピッチ λ：位置合わせ用の光の波長 ｄ：マスク１６とウェハ１２の相対位置ずれ（光軸１０
ａに垂直な方向） Ｚ：デフォーカス（光軸１０ａ方向） である。ウェハ１２上でＰ＝４ｐｍ、λ＝　０．６３２
８μｍとし、Ｚをパラメータとするとき、ｄと■。、１
　＋ｌ５Ｉ−１の関係は第５図ないし第７図に示される
。回折光（１，０）、（１，１）、（１，−１）を検出
素子１４８　ａ、　１４８　ｂ、　　ｌ　４８　ｃが受
光し、出力Ｅ、　、Ｅ、　、ＥＣを出力すると仮定する
と、強度■。は第５図に示すように、ディフォーカスＺ
がＩＺｌ＜２５μｍならばｄ＝ｏにおけるＩｏの値は１
２１が大になるにつれて減少し、出力Ｅ、が低下する。

一方、回折光Ｉ、　、ｉ、の強度の差、すなわち検出素
子１４８ｂ、１４８ｃの出力差（Ｅ、−Ｅｅ）は、第８
図に示すように、Ｚ＝０のときにはマスク１６とウェハ
１２の相対的位置ずれｄにかかわらず０であるが、Ｚ≠
０のときはｄ≠０であれば０以外の値となる。従って、
上記原理を利用して、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃの
出力からアライメント調整及びフォーカス調整が可能で
ある。

光てこ位置合わせ系２００は、第１図に示すように、光
軸１０ａとウェハ１２上で角度を゛もって交差する光軸
２２４上に、光源２０２と、光源２０２によって照明さ
れるスリット２２６と、スリット２２６の像をウェハ１
２上に形成する投影レンズ２２８とを有する。光でこ位
置合わせ系２００は、さらに、ウェハ１２上による反射
光軸２０４上に、ウェハ１２上に形成されたスリット像
を投影するための結像レンズ２３４と、結像レンズ２３
４によるスリット像の結像位置に配置したリニアセンサ
２３２を有する。リニアセンサ２３２は複数の受光素子
を一列に並べて形成され、その列方向がスリット像のス
リット方向と直交するように配置される。

制御系３００は、光電検出器１４８、リニアセンサ２３
２、メモリ３５４、及び操作部３５６に接続された制御
部３５０を有し、制御部３５０はさらに駆動部３５２を
介して移動テーブル１８に接続される。

制御系３００は、ＴＴＬ位置合わせ系１００によるフォ
ーカシング調整を基準として光でこ位置合わせ系２００
の基準値調整を行うキャリブレーション機能と、光でこ
位置合わせ系２００によって光軸方向の位置合わせすな
わちフォーカシング調整及びＸ、Ｙ軸に直交する方向の
位置合わせすなわちアライメント調整を行うウェハ位置
合わせ機能とを有する。

最初に、キャリブレーション機能を、第９図に示すフロ
ーチャートに基づいて説明する。キャリブレーションが
開始されると、ステップ４００に進んでリニアセンサ２
３２の出力を読み出し、ステップ４０１に進みリニアセ
ンサ２３２の出力のうち最大の値を出力した受光素子、
すなわちスリット２２６の開口像が形成された受光素子
の端部からの距；雄αを示す検出値ａを検出する。ステ
ップ４０２において、検出値ａがウェハ１２が適正フォ
ーカス位置にあるときの検出値とみなす適正値ａ。（最
初には計算等により求めた概略の値を入れておく）に対
し距離Δａ以下まで接近したか否かが判断される。ここ
で、Δａの値は回折格子のピッチＰの略２とすることが
好ましい。

ステップ４０２において検出値ａが １ａｏ−ａｌ≦Δａを満足するか否かを判断し、満足し
ない場合にはステップ４０３に進み、ここで（ａＯ−ａ
）の符号とその大きさに応じて駆動部３５２を介しテー
ブル１８をＺ方向に移動させてウェハ１２を適正フォー
カス状態に近ずけた後ステップ４００へ戻る。１ａｏ−
ａｌ≦Δａを満足するまでこのルーチンを繰り返す。

ステップ４０２において１ａｏ−ａ１≦Δａが満足され
たと判断されると、ステップ４０４に進み、検出素子１
４８ｂ、１４８ｃの出力Ｅ６、ＥＣの差を求めた回数を
示すβをＯとし、ステップ４０５に進む。ステップ４０
５において移動テーブル１８をＸ方向に所定量ΔＸだけ
移動させてステップ４０６に進む。ステップ４０６にお
いて回数βに１を加えステップ４０７へ進む。ステップ
４０７においては出力Ｅ６、ＥＣを検出し、ステップ４
０８では出力Ｅ１、ＥＣの差（Ｅ、−ＥＣ）をｅｌとし
て記憶する。

ステップ４０８に進み、出力Ｅｂ、ＥＣの差（Ｅｂ−Ｅ
Ｃ）を５箇所の異なる位置で求めたかを回数ｌが５とな
ったか否かで判断する。回数βが５に満たない場合には
、ステップ４０５に戻り、回数βが５になるまで差ａｌ
ｌを求め続け、回数ｌが５となるとステップ４１０に進
む。

ステップ４１０においては求めた５つのｅｌ（ｌ＝、２
．３．４．５）が全て所定値６０以内であるかを判断し
、６０以内てないものがあればフォーカス調整が不充分
なものとしステップ４１１へ進む。ステップ４１１にお
いては、６０以内でないｅｌの符号と大きさに応じて移
動テーブル１８をＺ方向に微動させ、再びステップ４０
４へ戻る。また、ステップ４１０においてａｌｌが全て
所定値Δｅ以下であると判断したときにはステップ４１
２へ進む。なお、ステップ４１２へ進む場合には、Ｚ方
向のフォーカス調整が完了しており、ウェハ１２は適正
フォーカス位置に位置している。また、ステップ４０５
においてＸ方向に微動させる微動量Δｘ１はステップ４
０９を介して繰り返される総移動量（本実施例では５回
分の移動量）が回折格子の略ｌピッチとすると、フォー
カス調整のバラツキを減少させることができ好ましい。

ステップ４１２においては、ウェハ１２が適正フォーカ
ス位置にある状態でリニアセンサ２３２の出力を読み出
し、ステップ４１３に進む。ステップ２３２において読
み出したリニアセンサ２３２の出力から検出値ａを検出
してステップ４１４に進む。ステップ４１４ではステッ
プ４１３で検出した検出値ａを適正値ａ。とじて定めて
メモリ３５４に記憶させる。これでキャリブレーション
が終了し、続いてステップ１１５に進み、位置合わせを
行うか否かを判断する。

操作部５６から位置合わせ操作を実行させる信号が出力
されてる場合には、第１Ｏ図に示す位置合わせフローチ
ャートのステップ５０４へ進み、残りのアライメント調
整が行われ位置合わせ操作が実行される。また、位置合
わせ操作を実行させる信号が出力されていない場合には
キャリブレーションが終了する。

次に位置合わせ機能を第１０図に示すフローチャートに
従って説明する。位置合わせが開始されると、まずフォ
ーカス調整に入り、ステップ５００に進み、リニアセン
サ２３２の出力ａを読み出し、ステップ５０１に進んで
読み出したリニアセンサ２３２の出力から検出値ａを検
出し、ステップ５０２に進む。

ステップ５０２では検出値ａが １ａｏ−ａｌ≦△ε（△εζ０）を満足するか否かを判
断し、これを満足しない場合にはステップ５０３に進む
。（ａ−ａ、）＝△εを満足したということは、ウェハ
１２が適正フォーカス位置にあることを意味する。

ステップ５０３では（ａＯ−ａ）の符号とその大きさに
応じて駆動部３５２を介し移動テーブル１８をＺ方向に
移動させ、フォーカス状態に近ずけた後ステップ５００
へ戻る。（ａｏ−ａ）＝△εを満足するまでこのルーチ
ンを繰り返す。

ステップ５０２において（ａ−ａ、）＝△εを満足した
と判断されると、光てこ位置合わせ系２００によるフォ
ーカス調整が終了したことにより、続いてステップ５０
４に進んでＴＴＬ位置合わせ系１００によるＸ軸及びＹ
軸方向の位置合わせ調整が開始される。ステップ５０４
において、検出素子１４８ａの出力Ｅａ（ｐｌの検出番
号を示す番号ｐを０としてステップ５０５に進み、移動
テーブル１８をＸ方向に所定の微量ΔＸ２だけ移動させ
る。ステップ５０６に進み、ここで出力Ｅａ（ｐｌを検
出して記憶しステップ５０７に進む。ステップ５０７に
おいては、出力Ｅａ（ｐｌのピーク（最大となる箇所）
を求めるため出力Ｅａ（ｐｌの変化量△Ｅ。

を（Ｅａ　［ｐｌ　　Ｅａ　（ｐ−１１）として求めス
テップ５０８に進む。

ステップ５０８においては八Ｅ、＝ＯでＥｄ［ｐｌが最
大であるか否かを判断し、最大でないときにはステップ
５０９に進み番号ｐを１つ増加させステップ２０５に戻
る。また、Ｅａ［ｐｌが最大となったときには、マスク
１６とウェハ１２とのＸ軸方向の位置が適正となり、Ｘ
軸方向のアライメント調整が終了する。

なお、ステップ５０５における微動量Δｘ２は一定値で
もよいが、ステップ５０７において求めた変化量ΔＥ、
の大小に応じてこれが大きいときにはΔｘ２も大きくま
たこれが小さいときにはΔｘ２も小さく変化させれば、
これにＸ方向のアライメント調整が精度よくかつ迅速に
行われ、好都合である。

また、Ｙ軸方向のアライメントは、透過式グレーティン
グパターンを上記構成の透過式グレーティングパターン
と直交する方向に配置し、光電検出器をその検出素子が
回折光（ｏ、ｍ’）、（＋ｎ’　　、　ｍ’　　）、（
ｎ　ｔ　　、　ｍ　／　　）次回折光〔ここでは（ｉ’
　　、　　ｊ’　　）のｉ′　はＹ軸方向の回折次数、
Ｊ′　はＸ軸方向の回折次数を示す〕を受光するように
配置し、該検出素子の出力を上述のＸ軸方向のアライメ
ントと同様に処理することにより行われるので、その説
明を省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の光学的に位置合わせ装置を組
込んだ投影露光装置の説明図、第２図はウェハの平面図
、第３図はマスクの平面図、第４図は回折パターンの説
明図、第５図は位置ずれｄに対する（、０）次回折光強
度とＺ軸方向ずれの関係を示すグラフ、第６図は位置ず
れｄに対する（、１）次回折光強度とＺ軸方向ずれの関
係を示すグラフ、第７図は位置ずれｄに（１，−１）次
回折光強度とＺ軸方向ずれの関係を示すグラフ、第８図
は位置ずれｄに対する（、１）次回折光強度と（１，−
１）次回折光強度の差とＺ方向のずれの関係を示すグラ
フ、第９図は光学的位置合わせ装置のキャリブレーショ
ン機能を示すフローチャート図、第１０図は光学的位置
合わせ装置の位置合わせ機能を示す７０−チャート図で
ある。 ｌＯ・・・・・・投影光学系 １２・・・・・・ウェハ １４・・・・・・回路パターン １６・・・・・・マスク １８・・・・・・移動テーブル １２０・・・・・・１次元グレーティングパターン１２
２・・・・・・２次元グレーティングパターン１３６・
・・・・・位置合わせ用光源 １４０・・・・・・ハーフミラ− １４８・・・・・・光電検出器 ２２４・・・・・・光軸 ２２６・・・・・・スリット ２２８・・・・・・投影レンズ ２３２・・・・・・リニアセンサ ２３４・・・・・・結像レンズ ３５０・・・・・・信号処理部 ３５２・・・・・・駆動部 ３５４・・・・・・メモリ ３５６・・・・・・操作部 第１図 第２図 第３図 第４図 ＝−’−１４８ｃ 第５図 入：０．６３２８μ 第１０図 十 ］　　”” ■ 巧０２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対象物体の投影像の結像面内であって、投影光学系の光
   軸を基準にした所定位置に結像物体を高精度に位置決め
   する光学的位置合わせ装置において、上記対象物体と上
   記結像物体とを相対的に上記光軸の方向及びこれと直交
   する横方向に移動させる移動部と、上記投影光学系の光
   軸と異なる方向から光学像を上記結像物体上に投影する
   光学像投影光学系と、上記光学像を形成した光束を上記
   光軸と異なる方向から受光して光電センサ上に投影して
   上記結像物体の光軸方向の位置を検出する検出光学系と
   、上記結像物体に設けた２次元グレーティングパターン
   と、該２次元グレーティングパターンを照明する照明系
   と、上記投影光学系により２次元グレーティングパター
   ンの像が投影される対象物体上に上記２次元グレーティ
   ングパターンのいずれか一方のグレーティング方向と一
   致したグレーティング方向に設けられた１次元グレーテ
   ィングパターンと、上記２次元グレーティングパターン
   と上記１次元グレーティングパターンによって回折され
   た光束を集光する集光部材と、上記集光部材により集光
   された光束のうち（ｎ、０）；（ｎ、＋ｍ）；（ｎ、−
   ｍ）の各次回折光（ｎ、ｍは０でない整数で、±ｍは上
   記一致したグレーティング方向の回折次数を示し、ｎは
   これと直交するグレーティング方向の回折次数を示す）
   を受光する第１受光器、第２受光器、第３受光器と、上
   記光電センサの出力が基準値となるように上記移動テー
   ブルを上記光軸方向に調整し、上記第１受光器の出力が
   最大となるように移動テーブルを横方向に調整する位置
   合わせ機能及び上記第２受光器と上記第３受光器の出力
   差が上記結像物体の横方向の移動によっても略零である
   ように上記結像物体を光軸方向に移動調整し、このとき
   の上記光電センサの出力を上記基準値とするキャリブレ
   ーション機能を有する制御部とを備えたことを特徴とす
   る光学的位置合わせ装置。