JPS63146438A - 位置合わせ方法 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、第１の物体を第２の物体上に結像光学系を介
して投影転写する装置に適用して第１および第２の２つ
の物体を位置合せする装置に関する。具体例としては、
フォトレジスト等の薄膜の塗布されたウェハとレチクル
を位置合せして露光するステッパの位置合せ装置に関す
る。

［従来技術］ この種の露光装置の基本的な２つの性能といえば解像力
と重ね合せ精度である。解像力に関しては取り扱いが非
常にシンプルである。なぜなら解像力を決定するパラメ
ータが数少ないからで、ステッパと呼ばれる装置におい
ては投影レンズの使用波長と開口数（ＮＡ）さえわかれ
ば、その光学系の解像力を容易に類推することができる
。また、Ｘ線露光の場合でもパラメータは光源の大きさ
による半影ボケ等といった限られたものしか存在してい
ない。

メモリーセルの１トランジスタ化が実現して以来、半導
体の高集積化の両翼を担ってきたのはリングラフィすな
わち微細線幅焼付技術の進歩とエツチング等のプロセス
技術の進歩であった。解像力に関してはステッパのレン
ズの歴史を辿れば解るように光学系は着実に進歩してき
ている。光学方式は１μｍの壁を破り、サブミクロン時
代に対応したレンズが次々と発表されている。

一方、プロセスの方でも溝掘り方式等、低段差化、高段
差化相俟って三次元ＩＣ的な発想で新しいアイディアが
実現されている。露光装置側での解像力の進歩とプロセ
ス側での進歩は、各工程のパターンの重ね合せという舞
台で最も大きな接点を見出すこととなる。その意味で重
ね合せ精度は露光装置の中で重要度をますます高めてい
るといえる。

重ね合せ精度を解像力を取り扱ったようなシンプルなパ
ラメータで表示することは難しい。それはウェハプロセ
スの多様性を物語っているが、その一方で、重ね合せの
ためのアライメントシステムの構成が多種多様であるこ
とに起因しているともいえる。ウェハプロセス要因をよ
り複雑にしているのは、この問題が１つウニ八基板だけ
に留まらず、ウェハ上に塗布されているフォトレジスト
化合めて論する必要があるからである。１在の半導体の
明らかな方向の一つにＩＣの三次元的な構成への流れと
いうものが存在している。その中でウニ八表面の高段差
化は避けられないものであるが、この高段差がフォトレ
ジストの塗布状態に明らかな悪影響を及ぼす。またウェ
ハは６インチから８インチざらには１０インチとますま
す大型化の傾向にある。大口径のウェハにフォトレジス
トをスピン方式で塗布した場合、中心部と周辺部でレジ
ストの塗布状況が異なるのは自明のことであり、その差
がウニ八表面の段差が大きいほど顕著にあられれること
も明らかである。実際、アライメント状態がレジスト塗
布の影響を受けて変化することは公知であり、逆に均一
な塗布の仕方をどうすれば良いかという研究がなされて
いるほどである。

フォトレジストでもう一つ注意しなければならないのは
サブミクロン時代における多層化への流れである。多層
レジストプロセスやＣＥＬといった解像力向上のための
手段は必然的に幾つかの工程で採用されるので、これに
対する対策も必要である。露光装置は重ね合せという舞
台でこうした新しいウェハプロセスへの対処を迫られて
いるといえる。

一方、これに対してアライメントシステムの多様性はシ
ステム構成のフレキシビリティと困難さの証明である。

現在、提案され実現されているアライメントシステムは
一つとして同じものがなく、各システムがそれぞれ長所
と短所を合せ持っている。例えば本出願人になる特開昭
５８−２５８３８号「露光装置」が一つの事例として挙
げられる。このシステムは投影光学系にレチクル及びウ
ェハ双方にテレセントリッ、りな光学系を用いてＴＴＬ
ｏｎＡｘｉｓという思想を実現した優れた構成例の一つ
である。投影レンズはｇ線（４３６ｎｍ　）に対して収
差補正がなされているが、同様の性能をＨｅ−Ｃｄレー
ザの波長（４４２ｎｍ　）でも発揮するようになってい
る。この特許出願で開示した一実施例ではＨｅ−Ｃｄレ
ーザによるレーザビーム走査法をアライメント信号検知
法として採用しており、この結果ＴＴＬ　　ｏｎ　　Ａ
ｘｉｓすなわちアライメントした状態で即露光動作に入
ることが可能となフている。ＴＴＬ　　ｏｎ　　Ａｘｉ
ｓシステムは露光装置として誤差要因がアライメント信
号の検知エラー唯一つであるという意味で、最もシステ
ム的な誤差要因の少ない構成であり、理想のシステムに
近い。このシステムの欠点は唯一つで、それは多層レジ
ストのような露光波長近辺の波長を吸収するようなプロ
セスに弱いということである。

一方、これに対して露光波長以外の波長、具体的にはｅ
線（５４６ｎｍ　）とかＨｅ−Ｎｅレーザ（６３３ｒｖ
）といったより長い波長を用いるシステム構成例も多数
提案されている。露光波長よりも長い波長を用いるため
多層レジストのような吸収型のプロセスに対して、この
システムは強いという利点を持っている。しかし、通常
、投影レンズの色の諸収差のためにアライメントする像
高が投影レンズに対して固定されており、アライメント
の検出を行なった後に露光位置までウェハを移動させる
という誤差要因が入り込むことになる。露光波長以外の
光でのアライメントシステムはこのため必然的にＴＴＬ
　　ｏｆｆＡｘｉｓのシステムとなってしまうのである
。

しかしながら、近年の重ね合せ精度に対する要求はます
ます厳しくなって籾ており、特開昭５８−２５８３８号
に示したような理想システムにおける誤差要因であるア
ライメント信号の検知エラーすら問題となる領域にまで
きている。本発明では従来例に基づいてアライメント信
号の検知エラー成分を分析し、その誤差要因をとり除く
ことにより、アライメント精度の向上を図ったことを特
徴としている。

アライメント信号の検知誤差成分を本願の発明者等が分
析したところによると、その誤差成分は主として ■フォトレジストの塗布問題 ■ウニ八基板に形成されるアライメントマーク（以下、
ＡＡマークという）の段差構造の問題■ウニ八基板表面
の問題 に起因するものが大部分であることが判明した。

■のフォトレジストによる誤差要因は種々挙げられるが
、そのうち最も大きいのは次の２つの要因であるものと
考えられる。

第１はレジストの表面反射光とレジストを透過し、ウニ
八基板に当って戻ってくる光との干渉効果である。特に
前述したようにフォトレジストはウェハ内で均一に塗布
されているとは限らず、中心と周辺では塗布状態が異な
っている場合が多い。クエへ基板自体もエツチング、ス
パッタ等のウェハ内向−性の問題を抱えている。そのた
め、ウェハ内の各ショットのＡＡマークの構造はレジス
トの塗布湿食めて考えた時、場所場所で異り、従って、
干渉効果も異っている。レジスト塗布の影響でアライメ
ントに誤差が出るのはこの干渉による効果が最も大きい
と思われる。

第２の要因として挙げられるのは多重反射である。レジ
ストは一つの光導波路としての性格を持っている。その
ためにウニ八基板で反射された光の一部はレジストと空
気の境界面で反射され、またウェハに戻ってきて再反射
を受けることとなる。この影響は基板の反射率が高いほ
ど顕著であるし、またこの多重反射光が最終的には干渉
を起こしアライメントの精度を劣化させる要因ともなる
。

また、アライメントの誤差要因の■はＡＡマークの段差
構造の問題である。このＡＡマークの段差構造は、エツ
チング、スパッタ等により不均一となる。例えば、アル
ミニウムスパッタ後のＡＡマーク段差構造は、エッチ付
近でのアルミ膜厚が不均一になり、本来水平面である部
分が傾斜を持つ場合がある。そのため、ウニ八基板で反
射された光が直接偽信号として取り込まれ、アライメン
トの精度を劣化させる要因となる。

この他に、アライメントの誤差要因の■としてウニ八基
板表面Ｑ問題がある。すなわち、つ・エバ基板表面が粗
面であれば、粗面からの散乱光が上述のレジストの影響
を受け、干渉を起こしアライメントの誤差原因となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従って本発明は、上述従来例にあるレジスト塗布状態や
ＡＡマーク段差構造およびウニ八基板表面状態によるア
ライメント信号の誤差成分を軽減し、より高いアライメ
ント検出精度を実現するシステムを構成するための位置
合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および作用］上記目的を
達成するため本発明では、第１の物体に形成されたパタ
ーン像を第１の結像光学系を介して第２の物体上に投影
転写する装置に適用して第１の物体と第２の物体とを位
置合せする装置において、第１の物体の位置を第２の結
像光学系を介して検知する第１の検知系と、上記第１の
結像光学系と第２の物体との間から該第２の物体の位置
を検知するための第３の結像光学系とを具備したことを
特徴としている。

従って、第３の結像光学系の配置の自由度が高く、例え
ば、これをクエへ面からの表面反射光や多重反射光の角
度より外側の回折光を受光するように配置し、得られた
像よりＡＡマークを選別することにより、ウニへ面に塗
布したレジストやＡＡマーク段差構造およびウニ八表面
状態等の影響を受けない高精度の位置合せを実現するこ
とができる。

［実施例コ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。第１図は
本発明の一実施例に係る位置合せ装置をステッパすなわ
ち縮小投影露光装置に応用した例である。

同図において、縮小レンズ３はレチクル１上のパターン
２をウェハ４上に投影露光する役目を果たしている。縮
小レンズ３は、焼付ける対象物であるウニへの凹凸や、
通常、レンズ３とウェハ４の間に配置されているオート
フォーカス系の計測駆動エラー等に基づくフォーカスの
変動等によって、ディストーションおよび倍率が変化し
ないようにウェハ側ではテレセントリックとなっている
のが通常である。なお、第１図ではウェハ上の５の場所
がレチクル１上のパターン２に対応している。

本発明での最大の特徴は投影レンズ３の下に配置された
ウェハマーク結像光学系にある。第１図でこれから焼き
付けられるべきウェハの部分５のためのＡＡマーク６は
、このマーク６に対し、所定の方向および角度で配置さ
れたウェハマーク結像光学系２１によって結像される。

これが本発明の最も主要な部分をなすものである。そし
て、この像はウェハマーク像検知素子１４により電気信
号として検出される。１２　、１３はマーク６からの光
をウェハマーク結像光学系２１に導くミラーおよびレン
ズである。

既に述べたようにアライメント信号の検出エラーの最も
大きい要因はレジストの表面反射光とウニ八基板の反射
光との干渉である。この影響を無くすためには幾つかの
方法があるが、最も根本的な解決法は表面反射光をウェ
ハマーク結像光学系に入射させないことである。レジス
トの塗布状態をＳＥＭや干渉顕微鏡で観察したところ、
たとえ非常に大きい段差構造を持ったウェハでも、その
上に塗布されたレジストの表面の傾斜は最大で５゛前後
であり、それ以上急峻なスロープは存在しないことが判
明した。ステップカバレージの問題から大きい段差に対
してはそれを上回る厚さのレジストを塗布するのが普通
であり、その結果はぼ５゛前後の値に納まるのである。

このため、本発明ではウェハマーク結像光学系２１に対
して第２図に示すように次のような条件を付は加えるの
が特徴である。すなわち、レジストのスロープ角度りを
５゛、照明光１７の光束拡がり角をＡとすると表面反射
光１８は角度Ｂ＝１０°であり、多重反射光１９は基板
で２回反射した光であれば約２５°である。３回反射以
上の場合は一般的に反射強度が実用上充分小さいので、
無視しつる。

従って、ＡＡマーク６の画像を取り込む角度ＥをＥ≧Ｃ
＋Ａ　　　　　　・・・・・・（１）とする。

このようにすると照明光のレジスト表面での反射光およ
び多重反射光はウェハマーク結像光学系２１に入らない
。

さらに、ＡＡマークを結像させ、図示されていない画像
処理系によりＡＡマーク形状を認識させ、ＡＡマーク段
差構造やウニ八表面形状による偽信号を排除し、真のＡ
Ａマークの位置を検出することができる。

これまでステッパで提案されてきたＴＴＬ方式は照明光
を投影レンズを介して照射し反射光を投゛影レンズを介
して受光していた。これに対し本発明は投影レンズの外
側で受光する方式であり、しかもＥ≧Ｃ＋Ａという規制
値を設けることによりレジスト表面反射および多重反射
の除去を行ない、さらにマーク像を結像させ画像データ
を得て画像処理を行なうことにより、ＡＡマークのみを
抽出することに成功したものである。ＡＡマークそのも
ののみを分離して取り出せるということはアライメント
精度の向上に直接結びつくことを意味している。

さて、以上はウェハマーク結像光学系であったがレチク
ルマーク結像光学系は、第１図に示す如くまず光源９の
ビームによりミラー８、ビームスプリッタ１１等を介し
てレチクル１上のレチクルマーク１５を照明する。そし
て、結像光学系７により結像させたマーク像を検知素子
１０にて受光し画像データを得る。レチクル１を透過し
たビームが投影系を介して前述のウェハマーク６を照明
男ることどなる。

ここで、レチクルマーク結像光学系およびウェハマーク
結像光学系により得られた２つの像の相対位置を予め知
る必要がある。

この方法として、レジストが塗布されていない鉛直なエ
ツジを持つ基準クエへを使用し、レチクルマーク結像光
学系により結像されるレチクルマークおよびウェハマー
クの画像データに基づきレチクルとクエへのずれ量を零
に合せ込む。このときのウェハマーク結像光学系により
結像されるウェハマークとレチクルマーク結像光学系に
より結像されるレチクルマークとの両者の画面内での相
対位置をオフセットとして記憶しておく。そして、実際
の位置合せの際には、レチクルマーク結像光学系により
得られたレチクルマーク像とウェハマーク結像光学系に
より得られたウェハマーク像との相対位置ずれ量からオ
フセット値を減算し、合せ込むことにより高精度の位置
合せが可能となった。

前記実施例中、第１因における光源９は露光波長と同一
波長であることが望ましいが、露光波長以外を用いる時
は補正光学系１６を用いてウェハ上に投影される照明光
の収差を補正することも可能である。必要あれば補正光
学系は露光時退避することも可能である。また、光源９
はレーザであることが望ましいが高輝度光源であればよ
く、たとえば水銀燈スペクトル線でもよい。

第３図は複数波長にて信号検知する例である。

第１図に加えて、他波長の光源９′、受光器１４′およ
びビームスプリッタ１１が配置されている。補正光学系
１８は使用波長に応じて出入りする。もちろん、３波長
以上をすることも同様にして可能である。こうすること
により、クエへのプロセス条件によらず常に良好なＡＡ
マーク像を得ることが可能となる。

第４図は、イメージガイド１７にて受光する例である。

検知光学系の実装が容易かつ低コストとなる。

なお、第１図においてウェハマーク結像光学系２１は１
対で図示しであるが、マークと回折光のとび方向との関
係で必要あれば第５図の矢印方向でマークが観測できる
ように２対以上とすることも可能である。さらにウェハ
マーク結像光学系のウニ八水平面の配置方向はＡＡマー
クエツジに直交する方向である。

また、ウェハマーク結像光学系およびレチクルマーク結
像光学系は、上記実施例に限ることなく、像データを得
るためマークの像を結像するものであればどのようなも
のでもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ウェハマーク像
とレチクルマーク像の相対位置を容易に計測でき、さら
に言えばウェハマーク結像系は投影レンズとクエへ間に
配置されてクエへ面からの表面反射および多重反射角度
より外側の回折光を受光して結像させ、さらにそのマー
ク像データから画像処理によりアライメントマークのみ
抽出することにより、高精度の位置合せを行なうことが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る位置合せ装置を通用
したステッパの要部概略図、 第２図は、ウェハへの照明光によるウニ八表面での反射
の様子を示す説明図、 第３〜５図は、本発明の他の実施例を説明する図である
。 １ニレチクル、 ３：投影レンズ、 ４；ウェハ、 ６；ウニ八段差部、 ７：レチクルマーク結像光学系、 ８二反射ミラー、 ９；光源、 １０、１４．１４’　　：マーク像検知素子、２１：ウ
ェハマーク結像光学系。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の物体に形成されたパターン像を第１の結像光
   学系を介して第２の物体上に投影転写する装置における
   第１の物体と第２の物体とを位置合せするため、該第１
   の物体および第２の物体を照明する照明系と、 第１の物体からの光を第１の結像光学系を介さず第２の
   結像光学系を介して画像として検出する第１の受光手段
   と、 第１の結像光学系と第２の物体との間より、第１の結像
   光学系を介さずに第２の物体からの光を第３の結像光学
   系を介して画像として検出する第２の受光手段と、 第１および第２の両受光手段における画像に基づき第１
   の物体と第２の物体との相対位置を検知する手段と を具備することを特徴とする位置合せ装置。 ２、前記検知手段が、前記第１および第２の受光手段か
   ら得られる画像に基づき前記第１および第２の物体の相
   対位置を検知するものである特許請求の範囲第１項記載
   の位置合せ装置。 ３、前記結像光学系を介して前記第２の物体上を照明す
   る光の光束拡がり角をＡ、前記第２の受光手段の光軸が
   上記結像光学系の光軸となす角度をＥ、上記第２の物体
   表面に入射し反射した光がこの第２の物体に塗布された
   感光剤表面で反射されさらにこの第２の物体表面で再度
   反射された際の上記結像光学系の光軸に対する出射角を
   Ｃとしたとき、上記第２の受光手段が、Ｅ≧Ａ＋Ｃなる
   位置に配置されている特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の位置合せ装置。