JPS6321337B2 - - Google Patents

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ツク
な結像光学系（投影レンズ）を介してウエハに投
影露光する際、この露光に先立つてマスクとウエ
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、特にテレセントリツクな結像光学
系を介してウエ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、LSIやVLSI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
ンはテレセントリツクな投影レンズを通してウエ
ハ上に投影される。特に、マスクパターンをウエ
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、一枚のウエハ上に同一パターンを繰
り返し露光する。そのため、各チツプを焼き付け
る毎に、マスクとウエ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ツプアライメント又は
イーチアライメントと呼ばれている（以下「ステ
ツプアライメント」と呼ぶ）。

そこで、上述のステツプアライメントを行なう
ために、マスクの上部に、例えば後述する第１図
の如き観察光学系を設けて、マスク上のアライメ
ントマークとウエハ上のアライメントマークとの
相対関係を確認する方式が知られている。この種
のものは一般にはアライメント光学系又はアライ
メント装置と呼ばれる。

しかし、アライメントの問題点は主にウエハパ
ターンのコントラストにある。即ち、ウエハ上の
パターンは一般には低コントラストのものが多
く、特に露光状態ではウエハ上にレジストが全面
塗布されていて更に低コントラストの原因となつ
ている。例えば、Siウエハ上でSiO₂のアライメ
ントマークパターンを見ると、SiとSiO₂の全反
射率はほとんど等しいため、目視のコントラスト
の判別が難しいのが現状である。

そこで、マークパターンとしてのコントラスト
を上げるために、SiO₂のアライメントマークの
場合は、微小な周期のパターンを組合せて周期構
造マーク（所謂回折格子パターン）にして、この
マークの周辺の散乱光と回折光が光学系外に広が
り、像として目視するとエツジ周辺が暗部となる
現象を用いることが知られている。しかし、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、ウエハに加えられたプロセスによつて
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
れるとは限らなかつた。

また、アライメントマーク作成法として、ウエ
ハ焼込工程を一回増加し、ウエハの異方性エツチ
ングを利用してウエ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、工程の煩雑さが問題である。そのため、最近
はレーザ光を光源とし、投影レンズを通して
SiO₂アライメントマーク上にスポツトを投影し、
マークからの散乱光を検出する方法が提案されて
いる。しかし、このアライメント方法にも以下の
如き問題点が存在する。

即ち、この種の投影レンズは、露光用又はアラ
イメント用の照明光として特定の１又は２波長の
みについて収差を最適化するようにレンズ設計さ
れているのが一般であり、その波長に合致したレ
ーザ光を選択しないと、投影レンズの収差のため
にウエハに投影されたスポツトが解像不良とな
る。仮に、投影レンズの収差を最適化した波長に
合致するレーザ光があつたとしても、レーザ光に
よるスポツトは一般に微小な円形に成形されるの
に対し、アライメントマークはそのスポツト径よ
りもはるかに長い長方形（もしくは線条）に形成
されるため、アライメントマークの極一部分をス
ポツトで照射して散乱光を検出することになる。
そのため散乱光の発生効率が低く、結果的にコン
トラスト（この場合、マークからの散乱光強度
と、マーク部以外からの散乱光強度との比に相当
する）も低くなるという欠点が考えられる。

従つて、本発明は上記欠点を解決し、両側テレ
セントリツク、又は物体（ウエハ）側のみがテレ
セントリツクな投影レンズ（結像光学系）を介し
て、物体（ウエハ）上に設けられた周期構造のア
ライメントマークを検出又は観察する際、マーク
検出のコントラストを向上させたアライメント装
置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明において
は、物体上に設けられたアライメント用のマーク
を、少なくとも物体側がテレセントリツクな結像
光学系を介して検知するアライメント装置におい
て、前記マークからの光情報を前記結像光学系を
介して検出する観察光学系と、光源からの照明光
を前記観察光学系と結像光学系とを介して前記マ
ークに照射する際、該照明光を物体面で一方向に
伸びたスリツト状の照明光に形成するスリツト化
手段と、マークをスリツト状照明光の長手方向に
沿つて周期構造の微小パターンの複数を規則的に
配列した回折格子としたことと、観察光学系の実
質的な瞳位置、あるいはその近傍に設けられ、物
体への照明光に対してはマークからの回折光の発
生方向に関して開口数を制限し、マークからの光
情報に対しては回折光を遮光して正反射光を透過
するスリツト状の透明部を有する遮光部材と、遮
光部材の透明部を介してマークからの正反射光を
光電検出する受光手段とでアライメント装置を構
成したのである。

以下、図面に沿つて本発明の実施例を説明す
る。

先ず、本発明の基礎となる技術を第１図と第２
図に図示したマスクの上方に観察光学系を設けた
従来のアライメント装置に適用して説明する。図
示例では結像光学系（投影レンズ）は像側（ウエ
ハ側）のみテレセントリツクになつている。

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
察用面光源部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（回折格子）アライメントマーク１１を有す
るウエハ３上に照明スリツト６の像を結ぶ。そし
て、ウエハ３上に投影されたスリツト像は投影場
所に応じた反射のされ方をして、全部或は一部が
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はウエ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
ｃ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は照明スリツ
ト６の詳細な形状を示す。かかる構成のアライメ
ント装置によるステツプアライメントは以下の要
領で行われる。

先ず、照明スリツト６はウエハ３上にアライメ
ントマーク１１と同じ輪郭の像、即ちスリツト状
照明領域を形成する様に設定しておく。ここで、
照明スリツト６をＸ―Ｙ面（第１図ａ、第２図ａ
参照）内で一次元に移動させてスリツト像がマス
ク４のアライメントマーク１０上に重なり合うよ
うに投影されると、このマークはCr等で作られ
ているのでスリツト像は全反射（正規反射）し、
観察光学系には戻つてこない。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
レセントリツク（軸外の主光線が傾いている）で
あり、スリツト像を形成する照明光束がマスク４
の面に対して傾いているからである。但しマーク
周辺のエツジで生じた僅かの乱反射光が戻る。

次に、スリツト像がマスク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
にウエハ３上に投影される。この場合、ウエハ３
のアライメントマーク１１の存在しない所へスリ
ツト像が投影されたときは、像はウエハ３表面で
全反射され、ウエハ側がテレセントリツクになつ
ているため、この反射光は往路と同じ光路を戻つ
て受光素子８に受光される。

他方、ウエハアライメントマーク１１上にスリ
ツト像が重なり合うように投影されたときは、ウ
エハマーク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とし、格子周
期4μm（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。
それ故に、ウエ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
つて、スリツト６をＸ―Ｙ面内で動かすことで、
マスクマーク１０とのウエハマーク１１の相対位
置が受光素子８の出力の変動に基づいて観測され
る。以上に加えて、ウエハマーク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
をウエハステージに指示することでステツプアラ
イメントが完了される。

このように、ウエハとウエハマークに反射率の
差がないとき、ウエハマークを従来からあるよう
な周期構造パターンとし、散乱光とある程度高次
の回折光成分とが結像光学系の開口数以上に広が
るといつた効果を主に用いて像にコントラストを
つけていた。しかし、前述の如くそのコントラス
トは弱いものである。

そこで、スリツト状照明光と周期構造パターン
（マーク）との相対走査により、マーク検出時の
コントラストをさらに良くするために、以下の実
施例においては照明光束を観察光学系、又は結像
光学系の瞳付近で帯状に分布させること、即ち出
来るだけ多くの光量を通過させるために周期構造
パターンの回折現象が顕著でない照明方向につい
てはウエハを照射する照明光（スリツト状の光
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、
さらに周期構造のマークからの０次光のみを受光
するようにした。

一般に、水銀（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
（瞳面での照明光束の断面積を絞る）と光量の低
下が起つて不都合となるが、本実施例では一方向
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
された照明光下でウエハアライメントマークから
反射して帰つてくる結像光線ともいえる回折光
は、ウエ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、上記瞳上に帯状遮光板を設け
ることによつて、再び一次以上の回折光と正規反
射の０次光とに分離されうる。このことは両テレ
セントリツクなら勿論可能だが、像（ウエハ）側
のみテレセントリツクな光学系でも可能である。
以上の如き原理に従うと、周期構造パターンから
の正規反射光がコントラスト良く検出できるアラ
イメント信号検出光学系が種々得られる。

ここで、既述の装置に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一実施例の説明
に移る。

第４図ａに図示の実施例において、観察光学系
の瞳位置５には帯状の透明部を有する遮光板５ａ
が設定されている。この遮光板５ａのＹ軸方向か
ら見た様子は第４図ｂに示され、そしてウエハ３
面上の周期構造アライメントマーク１１の周期方
向と直交する方向に帯状に分布するように照明光
束を制限する遮光板５ａとウエハアライメントマ
ーク１１との空間的な関係は第５図ａに示されて
いる。

さらに、ウエハ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受光素
子８に戻つてくるように、スリツト像を作る照明
光束が瞳中心帯を通過するように設定されてい
る。しかし、ウエハアライメントマーク１１が存
在するところに照明スリツト像が照射されたとき
に生ずる反射光については、±１次以上の回折光
は遮光板５ａに遮られ０次光のみしか通過しない
ようにウエ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のウエハマーク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以下になるように遮光板５ａの構造を決
めればよい。

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とウエハ全反射面の背景信号Ｂとの比
は、第１図、第２図の場合における第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、ウエハアライメン
トマーク１１ａの格子が或る角度、例えば45゜傾
斜せざるを得ないときは遮光板５ａも45゜傾く。

ところで、結像光学系２が両側テレセントリツ
ク系のときは瞳上の遮光板５ａは固定でよいが、
一側のみテレセントリツク系のときは、第７図に
示す如く、マスクの大きさによりアライメント位
置が変わるとアライメント装置の観察光学系が動
くことになるので、第７図に示すようにマスク面
に観察光学系の光軸を垂直にしたときは遮光板５
ａは瞳面を動く必要がある。しかし、この動きの
方向は一方向でよいのでメリツトは大きい。ま
た、第４図の実施例のように観察光学系のレンズ
が傾いていて結像光主光線が瞳中心を通りうる光
学系がマスクの動きにつれても達成されていれ
ば、遮光板は固定でもよい。このようにするため
の装置化は容易である。何れにせよ、水銀ランプ
等の照明光束を多量に通過させうる遮光板として
のメリツトは大きい。

尚、帯状開口部を有する遮光板５ａを設定する
位置は、結像光学系２のところであつてもよい。
但し、装置構成上からは、観察光学系側の方に入
れた方が都合がよい。

以上本発明においては、物体（ウエハ）面に一
方向に伸びたスリツト状照明光を照射し、物体上
にはスリツト状照明光の長手方向に沿つて周期構
造の微小パターンの複数を一直線上に配列した回
折格子を設け、この回折格子をスリツト状照射光
が照射したときに回折格子から生ずる回折光を観
察光学系の実質的な瞳位置で遮光し、正規反射光
のみを光電検出するようにした。このように周期
構造の微小パターンの複数に同時にスリツト状照
明光が照射されることにより、回折光の発生効率
が格段に高められ、その結果正反射光の光量がマ
ーク以外の部分からの正反射光量に対して著しく
低下するのである。

さらに本発明では観察光学系の実質的な瞳、即
ちテレセントリツクな結像光学系（投影レンズ）
の瞳面での照明光束が、遮光部材によつて回折格
子マークからの回折光の発生方向に関して開口数
を制限されてスリツト状分布となつているので、
系の瞳で回折光と正規反射光とを分離する点で極
めて好都合である。

本発明によりさらに以下の如き効果が生みださ
れる。

第１に、シリコン（Si）ウエハ上の二酸化シリ
コン（SiO₂）パターンのように明視野ではコン
トラストが弱いパターンからの結像光でも明視野
に於てコントラストが強調でき、信号として十分
向上されえ、従来困難とされていたアライメント
が達成される。

第２に、スリツト状の照明光を物体（ウエハ）
に照射する場合に水銀ランプの如き光束の広がる
光源を用いた照明光であつても、瞳位置では照明
光束の一方向（マークからの回折光の発生方向）
のみに関して開口数を制限するだけでよいので、
光量を多量にとれて、レーザを瞳の中心光束とし
て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。

第３に、本発明はIC投影露光装置のアライメ
ント装置のみならず、広く半導体製造分野でレー
ザ以外の光源を用いて散乱光を検出する光学系に
応用でき、有効な検出系を得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明の基礎となるアライメ
ント装置の一例を説明する図、第３図はウエハア
ライメントマーク、照明スリツト及びマスクアラ
イメントマークを示す拡大図、第４図は本発明の
一実施例を説明する図、第５図は遮光板とウエハ
アライメントマークの空間的な関係を示す図、第
６図は第１図、第２図のアライメント装置と本発
明のアライメント装置とのマーク検出時のコント
ラストの差を比較するグラフ、そして第７図は像
側のみテレセントリツクな結像光学系と組み合せ
て好適なアライメント装置の他の構成を説明する
図である。 ［主要部分の符号の説明］、２……結像光学系
（投影レンズ）、３……ウエハ、４……マスク、５
ａ……帯状遮光板、６……スリツト、１０……マ
スクのアライメントマーク、１１，１１ａ……ウ
エハのアライメントマーク（回折格子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体上に設けられたアライメント用のマーク
   を、少なくとも物体側がテレセントリツクな結像
   光学系を介して検知するアライメント装置におい
   て、 前記マークからの光情報を前記結像光学系を介
   して検出する観察光学系と； 光源からの照明光を前記観察光学系と結像光学
   系とを介して前記マークに照射する際、該照明光
   を一方向に伸びたスリツト状の照明光に形成する
   スリツト化手段と； 前記マークは、該スリツト状照明光の長手方向
   に沿つて周期構造の微小パターンの複数を規則的
   に配列した回折格子としたことと； 前記観察光学系の実質的な瞳位置、あるいはそ
   の近傍に設けられ、前記物体への照明光に対して
   は前記マークからの回折光の発生方向に関して開
   口数を制限し、前記マークからの光情報に対して
   は前記回折光を遮光して正反射光を透過するスリ
   ツト状の透明部を有する遮光部材と； 該遮光部材の透明部を介して前記マークからの
   正反射光を光電検出する受光手段と を備えたことを特徴とするアライメント装置。 ２ 前記スリツト化手段によつて形成された前記
   物体面でのスリツト状照明光の長手方向と、前記
   遮光部材のスリツト状の透明部の長手方向とが略
   直交するように配置されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のアライメント装置。