JPS6322058B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、可視及び紫外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。その為、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掘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ク強度との比に相
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マーク
に照射する際、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、マーク
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
もしくはその近傍に設けられ、所定の中心に関し
て相補的に対称な遮光部と透明部とを有し、遮光
部が前記結像光学系の瞳での照明光の分布を前記
マークからの回折光の発生方向に関して制限する
とともに、マークからの正規反射光を遮光する制
限部材と、マークからの光情報のうち、観察光学
系の実質的な瞳位置を、制限部材の働きで遮光さ
れずに通る回折光を受光する光電検出器とでアラ
イメント装置を構成した。

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１
０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
例においては観察光学系の実質的な瞳位置あるい
はその近傍で周期構造の回折格子マークからの回
折光（散乱光）成分のみを抽出して光電検出する
方式のアライメント系を用い、この観察光学系を
通るアライメント用の照明光が実質的な瞳面にお
いてアライメントマークからの回折光の発生方向
に関して異なる複数の領域を通るように制限しよ
うとするものである。さらに、このように照明光
を制限するための遮光部材（本発明の制限部材）
を観察光学系の実質的な瞳位置あるいはその近傍
に設け、回折光成分の抽出と兼用させる場合は、
その遮光部材に瞳中心に対して相補的に対称なス
リツト状の透明部と遮光部とを形成する。

なお、遮光部材を設定する位置は、結像光学系
（投影レンズ）と観察光学系のいずれでもよいが、
アライメント装置の構成上、本発明の実施例では
観察光学系の実質的な瞳位置に入れた場合を示し
た。一般にHgランプの如き照明光はレーザ光と
異なり、照明系の瞳（絞り）面で中心を含んで光
束を絞ると物体上での光量の低下が起こつて不都
合となるが、本発明は一方向、即ちマークからの
回折光の発生方向について瞳面での照明光通路領
域を異ならせるように制限するのが良いという利
点を利用している。

このように制限された照明光下でマスクアライ
メントマークおよびウエハアライメントマークか
ら反射して戻つてくる結像光線ともいえる回折光
は、実施例の場合マスクアライメントマークおよ
びウエハアライメントマークの回折格子周期が適
当に決められているならば、上記瞳上に設けた遮
光部材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次光とに分離され得る。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、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。

ここで、既述の装置の一例に帯状の透明部と遮
光部をもつ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に図示の本実施例において、観察光学
系の実質的な瞳位置には帯状遮光板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の微小パターンの
配列方向Ｙと直交する方向Ｘに帯状に伸びた照明
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。そして、ウエハアライメントマーク１
１とマスクアライメントマーク１０との関係は、
焼付けのための投影レンズの倍率を考慮し略々ウ
エ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ｄ参照）。ここでは、マスクアライメントマ
ーク１０ａも周期構造パターン（回折格子）とす
る。

そして本実施例では、マスクまたはウエハ上に
スリツト像を作るための照明光束が観察光学系の
瞳面で瞳中心に対して相補的に対称なデユーテイ
50％の領域（帯状の開口部または透明部）を通過
するように設定されている。例えば第５図ａに示
すように、本発明の制限手段としての遮光板５ａ
の中心（瞳中心）を通りＸ方向に伸びた直線を考
えたとき、この直線を挾んでスリツト状の遮光部
（同図中の斜線部）とスリツト上の開口部（同図
中の白ヌキ部）とがＹ方向に交互に対称的に配列
され、このスリツト状の開口部を介して照明光が
マスク、結合光学系およびウエハに達する。即
ち、本実施例では遮光板５ａによつて照明光の瞳
面での通過領域をアライメントマークの長手方向
に関して互いに異なる複数の領域に制限してい
る。また本実施例では第４図ａ及び第５図に示す
ように、照明光束が２本のスリツト状の開口部を
通過するようにしたが、何本のスリツト状開口を
設けても、それらが瞳中心に関して相補的であれ
ばよい。

以上の構成の本実施例では、ウエハアライメン
トマーク１１ガ存在しないところからの全反射光
は、結像光学系２が像側テレセントリツク系のた
めに、全て遮光板５ａが設けられた観察光学系の
実質的な瞳面に戻つてくるが、照明光に対する正
反射光（０次光）は丁度遮光板５ａの遮光部に達
して、ここで遮光されることになる。従つて、ス
リツト状開口部を介して受光素子８に達する光情
報は極めて小さなもの（迷光程度）となる。

一方、ウエハアライメントマーク１１が存在す
るところにスリツト状照明光（スリツト６の投影
像）が照射されると、例えば１次の回折光のみが
丁度遮光板５ａの帯状開口を通過して戻つてくる
様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。そしてこの回折
光が受光素子８にて光電検出される。マスクアラ
イメントマーク１０ａについても同様である。勿
論、散乱光のみを光電検出するような構造も可能
である。

以上のように、遮光板５ａのスリツト状開口部
を相補的に対称な配置とし、この遮光板５ａを瞳
位置に設けることによつて、結像光学系２がウエ
ハ側でテレセントリツツクであることから、瞳面
に戻る正反射光は必ずスリツト状開口部と同じ形
状、大きさで瞳中心に対称な位置を通ることにな
る。このように複数のスリツト状開口部はアライ
メントマーク１１の長手方向Ｙに配列されている
ため、Hgランプ等の照明光束でもＹ方向に関し
て見かけ上の開口数が大きく、光量も多量にとれ
るというメリツトがある。

このときの信号波形を図示すると第６図ｂの如
きものとなる。これを第６図ａに示した第１図、
第２図の場合のものと比較すれば、本実施例の信
号のコントラスト比は非常に大きなものであるこ
とがわかる。

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。
何れにせよ、Hgランプ等の照明光束の多量に通
過させうる遮光板としてのメリツトは大きい。

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ウエハ上のSiO₂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、
スリツト状照明光を回折格子の微小パターンの配
列方向に沿つて照射するため、暗視野においてコ
ントラストが強調でき、信号として十分向上され
得、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、瞳面上でアライメントマークからの回
折光発生方向に関して異なる複数の領域（実施例
では遮光板５ａのスリツト状開口部）を照明光が
通るようにすれば、Hgランプの如き光束の広が
る光源を用いた照明系で物体をスリツト状の照明
光束で照射する場合においても光量を多量にとれ
て、レーザ光を用いて瞳の中心に送光する光学系
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。

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、有効な検出系が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第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である。 ［主要部分の符号の説明］、マスク……４、ウ
エハ……３、マスク面上のアライメントマーク…
…１０ａ、ウエハ面上のアライメントマーク……
１１，１１ａ、遮光板……５ａ。

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もしくはその
   近傍に設けられ、所定の中心に関して相補的に対
   称な遮光部と透明部とを有し、該遮光部が前記結
   像光学系の瞳での照明光の分布を前記マークから
   の回折光の発生方向に関して制限するとともに、
   前記マークからの正規反射光を遮光する制限部材
   と； 前記マークからの光情報のうち、前記観察光学
   系の実質的な瞳位置を、前記制限部材の働きで遮
   光されずに通る回折光を受光する光電検出器と を備えたことを特徴とするアライメント装置。 ２ 前記制限部材の透明部は、前記マークからの
   回折光の発生方向と略直交する方向に帯状に伸び
   て形成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。