JPS6227730B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体ICやLSIを製造するための露
光装置やパタン評価装置に利用されるギヤツプお
よび位置合せ制御法に関するものである。

〔従来技術〕

半導体ICやLSIの微細化に伴い、マスクパタン
をウエハに一括して、もしくはステツプ・アン
ド・レピート方式によつて露光・転写する装置に
おいて、マスクとウエハを互いに高精度に位置合
せする技術の確立は不可欠であり、とくにサブミ
クロンパタンを露光するＸ線露光装置では、高精
度位置合せとともに、マスクとウエハ間のギヤツ
プを高精度で一定値に設定する技術の確立が欠か
せないものとなつている。

位置合せとギヤツプ制御を同時に行なえる技術
として、従来２重焦点レンズを用いた方法が開発
されている。これは、第１図Ａに示すように２重
焦点レンズ１の第１焦点をウエハ２の上に作製さ
れたウエハマーク３に、第２焦点をマスク４の上
に作製されたマスクマーク５にそれぞれ合わせる
ことによつてマスク４とウエハ２との間のギヤツ
プを設定するとともに、同図Ｂに示すようにウエ
ハマーク３をマスクマーク５ではさみ、マスクマ
ーク５の中心にウエハマーク３がくるようにウエ
ハ２とマスク４を相対移動し、位置合せするもの
である。

しかしながら、この方法ではギヤツプ設定のた
めに２重焦点レンズを用いており、レンズには１
μｍ程度の焦点深度があるため、高精度のギヤツ
プ設定は行なえない欠点があつた。また、レンズ
口径は無限に小さくはできないため、ステツプ・
アンド・レピート方式によつて露光領域が小さく
なると露光領域から離れた位置合せマークを利用
せざるを得ない。このため、ウエハの周辺部まで
露光することができず、露光可能領域が小さいと
いう欠点があつた。さらに、このような光学的方
法では、位置合せ自体の精度も±0.1μｍ程度で
超微細パタンの転写には問題があつた。

一方、位置合せ精度の高度化を図るものとし
て、J.Voc.Sci.Technol.、Voi.19、No.4、p214、
1981で紹介されているように２重回折格子を用い
た位置合せ法が開発された。

第２図Ａに、このような２重回折格子を用いて
位置合せする装置の一例を示す。図において、レ
ーザ光源６から発したコヒーレント光は、ミラー
２で方向を変えられ、真空吸着ホルダ８によつて
保持されるマスク４の上に作製されたマスクマー
ク５に入射、通過後、粗調ステージ９の上の微調
ステージ１０の上に保持されるウエハ２に作製さ
れたウエハマーク３で反射され、再度マスクマー
ク５を通過する。

マスクマーク５、ウエハマーク３は回折格子パ
タンであり、第２図Ｂに示すように前者は透過形
で、石英ガラス等の透明基板もしくはSi₃N₄等の
透明薄膜１１の上にＣ_rやＴ_i等の不透明薄膜１２
により回折格子パタンを形成したもの、後者は反
射形で、ウエハ２の上に無反射薄膜１３により回
折格子パタンを形成したものである。

これらマスクマーク５およびウエハマーク３に
より回折された光は、入射光に対してθ＝sin^-1
（ｍλ／Ｐ／２）（ｍ＝０、±１、±２、………）の方
向での み強くなり、それらはｍの値によつてｍ次の回折
光と呼ばれている。なお、λは光の波長、Ｐは回
折格子のピツチである。これらの回折光のうち、
入射光に対して対称的な方向に回折された＋１次
回折光と−１次回折光のみを光電変換器１３，１
４で受け、各回折光強度I₊₁、I_-1を光電変換し、
その減算強度ΔＩ＝I₊₁−I_-1の変化を検出するこ
とによつて位置合せを行なう。すなわち、この減
算強度ΔＩは、回折格子のピツチＰを周期として
同じ波形を繰返し、２つの回折格子がぴつたり一
致したとき（相対位置ずれ量ｄ＝０）と、２つの
回折格子の相対位置ずれ量ｄがＰ／２のとき、マ
スクとウエハ間のギヤツプＺにかかわらず零にな
る。したがつて、通常ΔＩが零になるように微調
ステージ７を移動させて位置合せを行なつてい
る。一方、ギヤツプの設定は、マスク周辺に作製
した容量形ギヤツプセンサ１６を用いてギヤツプ
を測定することによつて行なつている。

ところが、この相対位置ずれ量ｄに対するΔＩ
の変化曲線は、ギヤツプＺが微小変動することに
よつて大きく変化する。例えば、第３図は波長λ
＝0.6328μｍ、ピツチＰ＝1.1μｍ、入射角α＝
０゜（回折格子に対して垂直入射）の場合につい
て位置ずれ量ｄに対する減算強度ΔＩの変化を示
したものであるが、同図Ａに示したギヤツプＺ＝
20.02μｍの場合に対し、同図ＢのＺ＝20.05μｍ
の場合の曲線は山や谷を多く含み、しかも多点で
零点を横切る。このため、位置合せ制御はむずか
しく、高精度を保証できない。高精度位置合せの
ためにはＺ＝20.02μｍの条件のΔＩ曲線を用い
ればよいが、このためにはギヤツプをきわめて正
確に設定し、しかも変動をきわめて小さく抑えな
ければならない。また、ウエハもしくはマスクの
平面度が悪い場合には、マスク周辺でギヤツプ測
定を行なつているところから、ギヤツプセンサ１
６により正確にギヤツプを設定してもマスク・ウ
エハ両マーク間のギヤツプは必ずしも適正値に設
定できない欠点があつた。

〔発明の目的および構成〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、ギヤツプ制御と位置合せ制
御とを同時にかつ高精度に行なうことが可能な２
重回折格子によるギヤツプ・位置合せ制御法を提
供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、
２重回折格子に入射する光の入射角を周期的に変
動させ、入射光に対して対称的な方向に回折され
た同次数の回折光の減算強度を入射角について積
分して得た積分強度の変化によつてギヤツプ制御
を行なう一方、上記同次数の回折光の加算強度の
変化によつて位置合せ制御を行なうものである。
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

〔実施例〕

第４図は、本発明の一実施例を示す位置合せ装
置の構成図であり、２はウエハ、３はウエハマー
ク、４はマスク、５はマスクマーク、６はレーザ
光源、８はマスクホルダ、９は粗調ステージ、１
０は微調ステージ、１４，１５は光電変換器、１
７，１８，１９は球面ミラー、２０は入射角振動
子、２１は信号処理制御部である。

上記構成において、レーザ光源６から発したコ
ヒーレント光は、ガルバノメータや光偏向素子等
からなる入射角振動子２０によつて周期的に光線
の方向が振られ、球面ミラー１７によつて反射さ
れて、真空吸着マスクホルダ８によつて保持され
るマスク４の上の同一点に入射する。マスク４の
上に作製された第２図Ｂに示したと同様のマスク
マーク５に入射した光は、微調ステージ１０の上
に保持されるウエハ２の上に作製された同じく第
２図Ｂに示したと同様のウエハマーク３で反射さ
れ、再度マスクマーク５を通過する。

ウエハ・マスク両マークによつて回折された光
のうち、＋１次と−１次の回折光のみをそれぞれ
球面ミラー１８，１９で反射し、光電変換器１
４，１５で光強度を電気信号に変換する。次に、
信号処理制御部２１で＋１次回折光強度I₊₁から
−１次回折光強度I_-1を減算し、その絶対値ΔＩ
＝｜I₊₁−I_-1｜を求める。この減算強度ΔＩは、
入射角αの、０゜を中心とした−Δα〜Δαの周
期的変化によつて変動するので、半周期ごとの積
分強度Ｔ＝∫〓〓₋〓〓ΔIdαもしくは、Ｔ＝∫⁻〓〓
_＋〓〓
ΔIdαを計算する。この積分強度Ｔは、後述する
ようにマスク４とウエハ２との間のギヤツプＺと
一定の関係を有するから、この積分強度Ｔが零と
なるように、微調ステージ１０に組込まれたＺ軸
微調整機構によつてウエハ２を上下方向に動かす
ことにより、ギヤツプ制御が行なえる。同時に一
定の入射角の場合について、＋１次回折光強度I₊₁
と−１次回折光強度I_-1を加算する。この加算強
度ΣＩは後述するように相対位置ずれ量ｄとの間
に一定の関係を有するため、この加算強度ΣＩ＝
I₊₁＋I_-1が最小になるように、微調テーブル１０
を移動することにより、位置合せ制御を行なうこ
とができる。なお、入射角αは、入射角振動子２
０を振動させることによつて０゜を中心に−Δα
からΔαまで変動させるが、Δαがsin^-1
（ｍλ／２Ｐ）（ｍは整数）に近い値のときに、ギヤツ
プ 設定値近辺における相対位置ずれ量ｄに対する積
分強度曲線の変化は最も小さく、高精度の制御が
可能である。したがつてΔαは上記条件を満たす
ように設定することが望ましい。

第５図は波長λが0.6328μｍ、ピツチＰが４μ
ｍ、中心入射角が０゜で振動幅が±4.535゜（こ
の値は上述した高精度制御の条件を満たすもので
ある）の場合について、マスクとウエハの相対位
置ずれ量ｄを０から２μｍまで変動させた際のマ
スクとウエハ間のギヤツプＺに対する積分強度Ｔ
の変化を示した図である。図において、(イ)はｄ＝
０μｍ、(ロ)は0.5μｍ、(ハ)は1.0μｍ、(ニ)は1.5μ
ｍ、(ホ)は2.0μｍの場合の演算結果を示す。

５図から明らかなように、積分強度Ｔは、λ
Ｚ／P²＝ｎ（ｎは整数）を満足する条件、すなわ
ち本例ではＺ≒25.28μｍ、50.57μｍ、………の
ときに、相対位置ずれ量ｄにかかわらず零にな
る。したがつて、粗調ステージ９によつてギヤツ
プを予め25.28μｍから50.57μｍの範囲に入れて
おけば、微調ステージ１０を上方向もしくは下方
向へ移動し、Ｔが零になつたときに移動を停止す
る簡単な制御法によつて、25.3μｍもしくは50.6
μｍへのギヤツプ設定が行なえる。

この場合、上記25.28μｍから50.57μｍの範囲
の積分強度曲線には、複数の極小値がある。した
がつて、上記設定値を見出すためには、一定の限
界値以下での最小値を捜す必要がある。これに対
し、第６図に示すように予め微調ステージ１０に
よつてギヤツプを設定値に対して±２μｍに入れ
ておけば、単純に積分強度Ｔが小さくなるように
ギヤツプＺを制御することによつて、容易にギヤ
ツプを設定することができる。すなわち、第６図
はギヤツプ設定値を25.28μｍとしてその付近で
の設定値からのずれ量ΔＺに対する積分強度Ｔの
変化を第５図に対し検出系の感度を上げて示した
もので、このように設定値付近±2.0μｍ程度の
範囲では曲線は設定値を最小点として単純な増加
もしくは減少曲線となつている。

同様に第７図は設定値Ｚ＝25.28μｍ付近につ
いて検出系の感度をさらに上げて示したものであ
るが、図から明らかなように設定値からのずれ量
ΔＺが−0.1μｍから0.1μｍの範囲では積分強度
Ｔはずれ量ΔＺに対してほとんど直線的に増減し
ている。したがつて0.01μｍ以下の高精度でギヤ
ツプ設定を行なうことが可能であり、しかもその
制御法はきわめて簡単である。

ギヤツプ設定値を変えたい場合には、λＺ／P²
＝ｎ（ｎは整数）を満たすことを条件に、コヒー
レント光の波長λを変更するか、マスク・ウエハ
両マークの回折格子ピツチＰを変更すればよい。

なお、ギヤツプの設定を行なつた後に、周囲条
件等によりギヤツプが設定値からΔＺだけずれた
場合、ΔＺの正負判定は、積分強度T′＝∫〓〓_０
ΔIdαもしくはT″＝∫^０ ₋〓〓ΔIdαを求めること
によつて可能である。すなわち、第８図は第５図
と同一条件で積分強度T′の変化を示したもの
で、(イ)〜(ホ)はそれぞれ第５図と同様にｄ＝０μ
ｍ、0.5μｍ、1.0μｍ、1.5μｍ、2.0μｍの場合
に対応するが、積分強度T′は、λＺ／P²＝ｎ
（ｎは整数）を満たす条件、Ｚ≒25.28μｍ、
20.57μｍ………のときに相対位置ずれ量ｄにか
かわらず零となり、ｄ＝１μｍの場合を除いて
は、この点を境に正負が逆転する。積分強度
T″も同様で、したがつてT′もしくはT″の正負判
定を行なうことによつてΔＺの正負判定を行なう
ことができる。さらに、これの積分強度T′およ
びT″は、予め粗調によつてギヤツプを設定値に
対し±５μｍ程度の範囲にいれておけば、直接ギ
ヤツプ制御にも利用できる。

次に、第９図は波長λ＝0.6328μｍ、ピツチＰ
＝４μｍで入射角αを０゜としたときの相対位置
ずれ量ｄに対する加算強度ΣＩ＝I₊₁＋I_-1の変化
を示したものである。図において、(イ)はギヤツプ
Ｚを25.28μｍ、(ロ)は25.48μｍ、(ハ)は25.68μｍ、
(ニ)は25.88μｍ、(ホ)は26.08μｍとした場合を示す
が、図から明らかなようにギヤツプがこのように
変化しても曲線形状にはほとんど変化がなく、し
かも１周期内に１回の最小値もしくは最大値をも
つ単線な曲線となるので、ギヤツプ設定が容易で
あり、簡単な制御方法でｄ＝０の最小値点もしく
はｄ＝Ｐ／２の最大値点で高精度の位置合せが行
なえる。曲線の形状はλＺ／P²＝ｎ（ｎは整数）
を満たすギヤツプのときに最も単純な形状とな
り、ギヤツプ変動による形状変化も最も小さい。

このようにギヤツプ設定と位置合せの最良条件
がλＺ／P²＝ｎ（ｎは整数）に一致しているた
め、マスク・ウエハ両マークによる回折光強度
I₊₁、I_-1を検出し演算処理して得た信号によりギ
ヤツプと位置合せを同時に高精度に制御できる。

なお、上述した実施例ではマークに光線を垂直
に入射させて位置合せを行ない、またその角度を
中心にして変動させてギヤツプの制御を行なう場
合について説明したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、2Psinα／λ＝ｍ（ｍは整数）
を満たす角度で斜め入射させ、かつその近傍で振
らせても、上述したと全く同様にギヤツプと位置
合せを同時に制御できる。また、上述した実施例
では１次回折光を利用した場合について述べた
が、２次あるいは３次以上の回折光を利用しても
同様の効果が得られる。

以上、１つの２重回折格子マーク（上下１つず
つのマーク）を用いた例について述べたが、特開
昭53−32759において説明されているようにｘ、
ｙ軸方向の互いに直交する２重回折格子マークを
１組として設ければ、ｘ、ｙ両軸方向について同
時に位置合せ制御でき、さらにもう１つのマーク
を設けることによりマスク−ウエハ間の平行度を
きわめて高精度に制御できる。

さらに、上述した実施例では入射角を振動して
積分強度によりギヤツプ設定を行なうと同時に、
そのうちの一定の入射角において位置合せを行な
う方法について述べたが、入射角を振動してギヤ
ツプを設定し、次に振動を停止して位置合せを行
なうという作業を交互に繰り返し行なうことによ
りギヤツプ、位置合せ制御を高精度かつ簡単に行
なうことも可能である。

なお、レーザ光源から発するコヒーレント光の
代りに準単色光を用いても同様の効果が得られ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、２重回
折格子に入射する光の入射角を周期的に変動さ
せ、対称方向に回折された同次数の回折光を減算
強度を入射角について積分して得た積分強度の変
化によつてギヤツプ制御を行なうとともに、当該
同次数の回折光の加算強度の変化によつて位置合
せ制御を行なうことにより、ギヤツプ設定に利用
した検出信号の一部を用いて高精度の位置合せが
できるため、ギヤツプ設定、位置合せにそれぞれ
別のセンサや検出機構を用いる必要がなく、装置
構造を簡単にできる。しかも、ギヤツプ設定と位
置合せの最良条件が一致し、設定ギヤツプにおい
て位置合せ曲線は最も単純かつ最小値からの立上
りが急峻であるとともにギヤツプ変動による形状
変化も小さくなるため、位置合せ制御を簡単かつ
高精度に行なえる。のみならず、同一の検出信号
が利用でき、演算方法を変えるのみでギヤツプ設
定、位置合せが可能であるため、これらを同時
に、しかも短時間に制御できる。

また、積分強度曲線はギヤツプ設定値から±
0.1μｍの範囲では直線的に変化するので0.01μ
ｍ以下のギヤツプ設定が行なえ、しかもこの直線
性を利用すれば0.01μｍ以下の高精度変位計を構
成することも可能である。

さらに同一の回折格子マークでギヤツプ、位置
合せの両制御が行なえ、しかも対物レンズ等を使
用していないためマークを露光パタン近くに配置
できる。したがつて、マスクやウエハの平面度が
悪い場合にもマスク上の露光パタンとレジストを
塗布したウエハ間のギヤツプを正確に設定できる
利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは従来の２重焦点レンズを用いたギヤ
ツプおよび位置合せ同時検出法を示す図、同図Ｂ
は位置合せマークを示す図、第２図Ａは従来の２
重回折格子を用いた位置合せ装置を示す構成図、
同図Ｂは位置合せマークを示す詳細図、第３図Ａ
およびＢはそれぞれ相対位置ずれ量ｄに対する＋
１次と−１次回折光の減算強度ΔＩの変化の一例
を示す図、第４図は本発明の一実施例を示す位置
合せ装置の構成図、第５図はギヤツプに対するΔ
Ｉの積分強度の変化の一例を示す図、第６図およ
び第７図はギヤツプ設定値からのギヤツプのずれ
量ΔＺに対するΔＩの積分強度の一例を示す図、
第８図はΔＺの正負判定に利用するギヤツプに対
するΔＩの積分強度の変化の一例を示す図、第９
図は相対位置ずれ量に対する＋１次と−１次回折
光の加算強度の変化の一例を示す図である。 ２……ウエハ、３……ウエハマーク、４……マ
スク、５……マスクマーク、６……レーザ光源、
９……粗調ステージ、１０……微調ステージ、１
４，１５……光電変換器、１７，１８，１９……
球面ミラー、２０……入射角振動子、２１……信
号処理制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の物体に設けた第１の回折格子と、第２
   の物体に設けた第２の回折格子とを一定のギヤツ
   プをおいて重ね、これら第１および第２の回折格
   子にコヒーレント光もしくは準単色光を入射し、
   両回折光子によつて生じた回折光の強度の変化に
   よつて、第１の物体と第２の物体の相対変位を検
   出して位置合せする方法において、前記コヒーレ
   ント光もしくは準単色光の入射角を周期的に変動
   させ、入射光に対して対称的な方向に回折された
   同次数の回折光の強度を減算処理し、当該減算強
   度を入射角について積分した積分強度の変化によ
   つて第１の物体と第２の物体のギヤツプ制御を行
   なうとともに、入射光に対して対称的に回折され
   た同次数の回折光の強度を加算処理し、当該加算
   強度の変化によつて第１の物体と第２の物体の相
   対変位を検出し位置合せ制御することを特徴とす
   る２重回折格子によるギヤツプ・位置合せ制御
   法。