JPS63247602A - 位置検出装置 - 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） 本発明は物体の位置を検出する装置に関し、特に半導体
素子の製造に使われる半導体ウェハ等を露光装置上でア
ライメントする際の位置検出装置に関する。

（従来の技術） 露光装置においては、原版となるレチクルと被露光対象
であるウェハとを正確にアライメント（相対的な位置決
め）してから露光する必要がある。そのアライメントの
ために露光装置には各種のアライメントセンサーが装着
され、現在半導体素子の製造ラインで実用に供されてい
る露光装置の多くは光学的な自動アライメント系を備え
ている。その中で特に、ウェハ上にレーザ光等のスポッ
ト光を照射し、このスポット光とウェハとを相対的に走
査してウェハ上の特定位置に設けられた微細なアライメ
ントマークからの光情報（散乱光、回折光等）を充電検
出する方式は、現時点では良好な検出精度が得られるア
ライメント方式として多用されてきている。このアライ
メント方式は、光電検出された信号に基づいてスポット
光とウェハとの走査位置上でアライメントマークカラの
光情報が得られた位置を検出することによって、ウェハ
の位置を決定するものである。さらにこのアライメント
方式は２種類に分けられ、一方はアナログの光電信号を
所定のスライスレベルで２値化して、その２値化信号と
走査位置に応じたクロックパルスとのもとてマーク位置
をデジタル的にカウントして決定するものであり、他方
はアナログの光電信号を走査位置に応じてデジタルサン
プリングして信号波形をメモリ上に記憶し、その信号波
形上の特徴からマーク位置を算出するものである。

（発明が解決しようとする問題点） この従来のアライメント（又は位置検出）方式において
は、微小なスポット光によってウェハ表面を走査するた
め、走査軌跡上のウェハ上にゴミや傷等が存在すると、
これら欠陥部からもマークからの光情報と同等の光情報
が発生し、マークと誤認識することがあった。またウェ
ハのマークがスポット光の走査範囲内（計測範囲内）に
位置するようにプリアライメントしておかないと、この
マークが検出できいなという問題点もあった。特にアラ
イメントマークの付近に微細なパターン構造の回路部分
が存在し、プリアライメントの精度が劣化した場合には
、ミスアライメントを起すといった問題が生じる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記問題点を解決するために、ウェハ等の基
板上に同一形状のパターン（マーク）を複数形成してお
き、これらパターンを光ビーム（スポット光）で相対走
査したとき、複数のパターンのうちで特定のパターンに
応じた光電信号の波形上の特徴を検定し、この検定され
た特徴点と、特定パターンに引き続いて相対走査された
他のパターンに応じた光電信号とに基づいて、基板（又
はパターン群）の位置を決定するようにした。

（実施例） 第２図は本発明の第１の実施例による位置検出装置が適
用される投影露光装置の構成を示す図である。この装置
の基本構成は公知であるため、第２図の説明は簡単に行
なう０回路パターンを有するレチクルＲとウェハＷとの
間には、少なくともウェハ側（像側）がテレセントリッ
クな投影レンズＰＬが設けられ、ウェハＷはステップア
ンドリピート露光時、あるいはアライメント時に２次元
的に移動するようにステージＳＴ上に記載される。

このウェハＷにはレチクルＲとのアライメントのために
、例えば回折格子状の間ＷＭが形成される。

レーザ光源１からのレーザビームＬＢはシリンドリカル
レンズ２、ビームスプリッタ３、対物レンズ４、及びミ
ラー５を介して投影レンズＰＬの瞳ｅｐの中心に向かっ
て入射する。投影レンズＰＬはウェハＷ上にレーザビー
ムＬＢを垂直に照射させ、ウェハＷ上にはシート状（又
はスリット状）のスポット光を結像させる。ウェハＷ上
のスポット光照射部から生じる光情報は、投影レンズＰ
Ｌを介して元の照明光路を逆進し、ミラー５、対物レン
ズ４を介してビームスプリッタ３で反射され、リレー系
６を通って空間フィルター７に達する。

リレー系６は空間フィルター７の位置に投影レンズＰＬ
の瞳ｅｐの像を結像するもので、空間フィルター７は瞳
ｅｐと共役に配置される。空間フィルター７はウェハＷ
からの光情報のうち、間ＷＭからの回折光（又は散乱光
）のみを空間的に分離抽出するもので、抽出された回折
光等は集光レンズ８によって光電素子（フォトマル等）
９の受光面に集められる。増幅器（ＡＭＰ）１０は光電
素子９からの光電信号を一定量だけ増幅し、増幅された
光電信号はアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１１に入
力し、信号レベルに応じたデジタル値に変換される。そ
のデジタル値は信号波形記憶（取り込み）用のメモリ（
ＲＡＭ）１２に順次格納される。ＡＤＣＩＩの変換タイ
ミングやＲＡＭ１２のアドレス設定はカウンタ回路（Ｃ
ＮＴ）１３によって行なわれる。ＣＮＴ１３は、ステー
ジＳＴの位置を計測するレーザ干渉計１４からのアップ
、ダウンパルス信号（例えばステージＳＴが０８０１μ
■移動する毎に１パルスとなる信号）をステージコント
ローラ１５を介して入力する。

またウェハステージＳＴの移動はステージコントローラ
１５の管理のもとにモータ１６で行なわれ、ステージＳ
Ｔの移動位置決めは主制御部（ＣＰＵ）１７とステージ
コントローラ１６との間で指令や情報をやり取りするこ
とによって行なわれる。

高速演算専用のプロセッサー（ＢＳＰ）１８はＲＡＭ１
２に取り込まれた信号波形の特徴等に基づいて、マーク
ＷＭの位置を高速に算出し、その結果をＣＰＵ１７に出
力する。ＣＰＵ１７は決定された位置を基準にして、ス
テージＳＴを任意の位置に移動させる。具体的には、レ
チクルＲの回路パターンの投影像がウェハＷ上の所定の
領域と合致するように位置決めする。

上記基本構成に加えて、本実施例ではウェハＷ上のマー
クＷＭ−ｔ−複数本の同一形状の回折格子パターンとし
、ＣＮＴ１３の構成及び位置決定のアルゴリズムを一部
変更した。マークＷＭは第１回（Ａ）に示すように、例
えばＸ方向に細長く形成された３本の回折格パターンＭ
、、Ｍ、、Ｍ、をＸ方向に所定の間隔で平行に配置する
ようにした。このマークＷＭの検出方向、すなわちスポ
ット光ＳＰとの相対走査方向はＸ方向に一致している。

スポット光ＳＰはＸ方向に長いスリット状であり、Ｘ方
向の輻は格子パターンＭ、、Ｍ、、Ｍ、の幅と同程度に
定められ、格子パターンＭ１、Ｍｔ、Ｍｓはともに同一
形状、寸法で形成されているものとする。

そして本実施例ではスポット光ＳＰにおける相対走査の
開始、すなわちマークＷＭからの回折光信号の波形取り
込みの開始時は波形取り込みの計測分解能を低下させて
、荒い波形取り込みモードにし、走査開始後、マークＷ
Ｍ中の最初の格子パターンＭ１に応じた信号波形が検出
されたときは、次に走査されるべき格子パターンＭ！、
Ｍ、に応じた信号波形を高分解能（干渉計１４からのパ
ルス信号そのものの分解能）モードで取り込むように構
成した。上記低分解能モードではより広い（長い）ウェ
ハＷ上の領域をサーチできるが、低分解能モードで格子
パターンＭ１らしき信号波形が認識されたとしても、そ
れがゴミや傷の場合もあり得るため、格子パターンＭ、
らしき信号波形の位置を基準として格子パターンＭ　ｌ
、　Ｍ　ｔ、Ｍ−の設計上の間隔をあてはめて、高分解
能モードに切りかえる位置を制限するようにした。

第１図（Ｂ）は上記低分解能モードと高分解能モードと
に切りかえ可能としたＣＮＴ１３の構成を示す。分周器
１３ａはステージコントローラ１５を介して得られる干
渉計１４からのアップダウンパルス信号（ＵＰ、ＤＯＷ
Ｎ）を入力して、所定の比で分周を行なう。その分周比
は例えば１１５．１／１０程度に定められる。さらに分
周器１３ａは外部からの切替信号ＳＳに応答して、分周
比を１１５（又は１／１０）にするか１／１にするかを
選定する。この切替えによって分周比が１：１のときは
高分解能になり、１１５又はｌ／ｌＯのときは低分解能
になる。こうして分周されたアップダウンパルス信号は
ＲＡＭ１２に対するアドレスを設定するアドレスジェネ
レータ（アップダウンカウンタ）１３ｂにより計数され
る。また分周されたアップダウンパルス信号は、論理和
ゲート１３ｃを介してＡＤＣＩＩの変換タイミングを決
定するパルスとして使われる。尚、切替信号ＳＳはステ
ージコントローラ１５を介してＣＰＬ１１７から送られ
る。

次に本実施例の動作を第３図のフローチャート図に基づ
いて説明する。

ウェハＷを載置したステージＳＴは、所定のプリアライ
メント動作により、士数十μ削の精度でスポット光に対
してアライメントされているものとする。まずステップ
１００において、計測したいマークＷＭの近傍（手前）
にスポット光ＳＰが位置するようにステージＳＴを移動
させるとともに、切替信号ＳＳを低分解能に設定する。

この時、マークＷＭは設計値に対してプリアライメント
精度内の位置にあるため、信号波形の取り込み開始（計
測開始）位置Ｘｓは、以下の式によって決定される。

Ｘ５−Ｘｐ−ΔＰ−α ここでＸｐは設計上の位置を表わし、ΔＰはプリアライ
メント精度を表わし、αは任意の距離を表わす、そして
次のステップ１０１でステージＳＴを計測方向に走査し
、初めの格子パターンＭ、に対応した信号波形が得られ
たか否かをステップ１０２で逐次チェックしていく、こ
こでは低分解能モードで信号波形がＲＡＭ１２に順次取
り込まれることになり、干渉計１４の分解能が０．０２
μｍで、分周比が１１５であれば、ＲＡＭ１２の各アド
レスには０．１μ−毎の信号レベルの値が記憶されてい
く、格子パターンＭ１の幅、スポット光ＳＰの幅はとも
に０．１μｍよりも十分大きな寸法（例えば５μｍ）で
あるため、格子パターンＭ。

に対応した信号波形はＲＡＭ１２内で波形プロフィール
として十分再現される。もちろん計測精度は１１５に低
下するが、ここではマークの存在の無響を検出すること
が主目的であるため、荒い測定で十分であり、逆に、同
一メモリ容量においてはマークのサーチ範囲が５倍に拡
大されるといった利点がある。

さて、ＲＡＭ１２への波形の取り込みが開始されると、
ＢＳＰ　１８は随時その波形を読み込んで格子パターン
Ｍ１に対応した波形か否かを高速演算によってチェック
する。このチェックは所定のスライスレベル以上の波形
プロフィールに対して行なうようにすると、ゴミや傷等
による誤検出を低減させることができる。

以上のステップ１０１．１０２の繰り返しによって格子
パターンＭ、が認識されると、ＲＡＭ１２には例えば第
４図（Ａ）のような波形が取り込まれたことになる。第
４図（Ａ）の横軸は走査位置Ｘを表わし、纒軸はレベル
を表わす。こうして格子パターンＭ１の位置はＣＭ、と
じて±０．１μ蒙の精度で検出されるので、ステップ１
０３では次の格子パターンＭ　ｔ、　Ｍ　ｓに対する高
分解能モードへの切替え位置をパターンＭ、１Ｍ、、Ｍ
、の設計上の間隔を基づいて予測演算するとともに、検
出された波形状態から、信号増幅系の最適なゲインを判
定（学習）してそれを設定する。このときステージＳＴ
は予測された位置に向けて移動を続ける。格子パターン
Ｍ、の位置は最大±０．１μ鋼の精度で予測できるため
、高分解能モードでの波形取り込みは格子パターンＭ２
の直前から可能になる。すなわち、格子パターンＭｔの
直前までステージＳＴを高速移動できる。

さて、ステップ１０４でステージＳＴが高分解能モード
への切替え位置にくると、切替信号ＳＳは高分解能に設
定されるとともに、そのときのステージＳＴの位置が干
渉計１４の分解能（例えば０．０２μｍ）でラッチされ
る。そしてステップ１０５．１０６では高分解能モード
でＲＡＭ１２に格子パターンＭ、、Ｍ、に対応した波形
プロフィールを第４図（Ｂ）のように格納する。高分解
能モードは格子パターンＭ、の走査が終わる位置までで
よい訳であるが、その終了位置も格子パターンＭ、の位
ＩｃＭ、から予め容易に求められる。

すなわち格子パターンＭｚ、Ｍｓの存在する最小限の範
囲から高精度で波形抽出を行なうため、短時間に計測が
終了する。この際、ステージＳＴの速度（アンプダウン
パルス信号の周波数）によっては回路系が応答遅れを起
すこともあるので、応答し得る程度にステージＳＴの速
度を制御する。

また、格子パターンＭ　ｔ　、　Ｍ　ｓの間隔がそのパ
ターン幅に対して十分広い（例えばパターン幅５μ頻に
対して間隔が３０μ鋼程度以上）場合は、パターンＭ　
ｔ　、　Ｍ　＝の間で波形として取り込んでも意味のな
い領域が大きくなる。そのためステップ１０７を設けて
、格子パターンＭ、に対応した波形が検出されたとする
位置で、それが最後の格子パターンか否かを判断し、最
後でないときはステップ１０ＢでＲＡＭ１２に対して波
形取り込みを禁止し、再びステップ１０４から同様に繰
り返し、次の格子パターンＭ、に対応した高分解能モー
ドでの波形をＲＡＭ１２に取り込む。こうしてＲＡＭ１
２に波形データが格納されると、ステップ１０９で各波
形データに基づいてマークＷＭの位置を算出する。波形
データ（プロフィール）に基づく格子パターンの位置決
定は、波形を積分して重心を求める手法等が利用できる
。このとき複数の格子パターンＭ２、Ｍ、に対して求め
た位置ＣＭ、、ＣＭ、を平均化することによって、より
高精度にマークＷＭの位置を特定できる。

以上本実施例のステップ１０１．１０２によるパターン
Ｍ１の決定にあたっては、格子パターンＭ、に対応した
波形データを、予め理論値として求めておいた設計上の
波形データとの間で相関を取る手法も誤検出を低減させ
る点で有効である。

設計上の波形データはステージＳＴ上に設けられた基準
マーク（フィデューシャルマーク）をスポット光で走査
し、低分解能でサンプリングすることによって得られる
。ただし基準マークは通常クロム等の安定した物質で作
られ、ウェハのように各種プロセスを受けることがない
ため、プロセスによって格子パターンＭ１が変形したり
すると相関性が悪化することがある。そこで同一プロセ
スを受けたロフト内の一番初めのウェハをアライメント
するときに、格子パターンＭ、の波形プロフィールをサ
ンプリングして記憶し、以降この波形プロフィールをテ
ンプレートとして、同一ロット内の他のウェハ上の格子
パターンＭ、を相関演算により認識するとよい。このよ
うな特徴抽出を行なうと、低分解能で格子パターンＭ、
をサーチしているにもかかわらず、ゴミや傷による誤検
出が低減でき、しかもサーチ範囲が広くとれるとともに
走査速度を数倍に高めることができる。

次に本発明の第２の実施例を第５図を参照して説明する
が、第２実施例はエキシマレーザ光源を露光用照明に使
ってフラッシュ・オン・ザ・フライ（Ｆｌａｓｈ　ｏｎ
　ｔｈｅ　Ｆｌｙ）方式の露光を行なうのに好適な位置
決定方法でもある。第５図の回路ブロックは第２図に示
した構成に付加されるものであり、新な構成は、ＣＰＵ
１７からのスライスレベル値をアナログのレベルＣＬに
変換するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）３０と、
ＡＭＰＩＯからの光電信号とスライスレベルＣＬとを比
較するコンパレータ３１と、エキシマレーザ光源３２と
を設けることである。レーザ光Ｂ３２にはパルスレーザ
の発振器３２ｂと、これに発振の励起を与えるトリガ回
路３２ａとで構成される。レーザ光［３２からのパルス
レーザ光は第２図に示したレチクルＲを均一に照明する
のに使われる。本実施例においてＣＮＴ１３は高分解能
モードのみで使われ、またウェハＷ上のマークは格子パ
ター７Ｍｔ、ＭＳの２本のみを使い、レチクルＲとウェ
ハＷとが重ね合わされたときスポット光ＳＰと格子パタ
ーンＭ、とが一致するように定められているものとする
。

次ムこ本実施例の動作を第６図のフローチャート図を参
照して説明する。まずステップ１２０でスボッ１−３Ｐ
がマークＷＭの手前の所定位置にくるようにステージＳ
Ｔを移動させ、その位置になったら引き続いてステップ
１２１で第１マーク（格子パターンＭ、）の波形の取り
込みを開始する。そしてステップ１２２で第１マークで
あることが判定されると、ステップ１２３においてＢＳ
ＰｌＢにより第７図に示すように第１マークの位置、す
なわち格子パターンＭ２の位置ＣＭｔが取り込まれた波
形Ａ　Ｓ　＋の振幅ＶＰ等から算出され、設計上の間隔
値から第２マーク（格子パターンＭ、）の位置ＣＭ３が
予測演算される。さらにＢＳＰｌＢは振幅ＶＰ等に基づ
いて最適なスライスレベルＣ１１を算出する（ステップ
１２４）。

さて、ステップ１２３で第２マークの位置ＣＭ、が予測
されているので、ＣＰＵ１７は移動し続けているステー
ジＳＴの現在位置が、ＣＭ、の手前で第２マークの波形
ＡＳ、が立上る位置Ｘｇに達したか否かを判定する（ス
テップ１２５）、そして第７図に示すように、位ＷＸｇ
になった瞬間にＣＰＵ１７はＤＡＣ３０にスライスレベ
ルＣＬｉのデータを出力する。そして第２マークに応じ
た波形Ａ　Ｓ　ｘが立上がってスライスレベルＣＬ７！
を超えた瞬間にコンパレータ３１の出力信号Ｓｌは「Ｈ
」レベルになり、この「Ｈ」レベルへの立上がりに応答
してトリガ回路３２ａの出力信号Ｓ、は「Ｌルベルにな
る。トリガ回路３２ａは信号Ｓ■がｒＨ，レベルになっ
た時点から、干渉計１４の出力パルスを一定値までカウ
ントアツプ（又はカウントダウン）し、一定値になった
時点で、出力信号Ｓ８をｒＨ，レベルに反転させる。

レーザ発振器３２ｂは信号Ｓ８の「Ｈ」レベルへの立上
りに同期してパルス発光する。したがって、本実施例で
は、レーザ発振器３２ｂを発光させるべき位置（ＣＭ３
　）を波形ＡＳ８の立上り部で検出するようなスライス
レベルＣＬＮが、第１マーりに応じた波形ＡＳ、を学習
することによって決定される。

本実施例においても第１マークの検出から第２マークの
検出（レーザ光の発光）に至るまでステージＳＴは停止
することがないので、第１マークの波形ＡＳ、を学習し
ている間に第２マークがスポット光ＳＰに達しないよう
に、第１マークと第２マークの間隔、及びステージＳＴ
の速度を適当に定めてお（必要がある。

さて、位置ＣＭ、でレーザ光が発光した後、ＣＰＵ１７
はステップ１２７でステージＳＴが位置Ｘｅ、すなわち
波形ＡＳ、の立下りの位置にきているかどうかを判定し
、その位１ｊＸｅを過ぎたらＤＡＣ３０にスライスレベ
ルＣＬｈを出力する（ステップ１２８）。このレベルＣ
Ｌｈはゴミや傷などによるピーク波形が波形Ａｓ８の極
（近くに生じた場合でも、レーザ発振器３２ｂをミス・
トリガさせないような、かなり大きなレベルに設定され
ている。

以上、本実施例ではスライスレベルＣＬを最適なレベル
ＣＬｆｆｉに設定して光電信号とアナログ的に比較する
ことにしたが、もちろんデジタル的な比較を行なっても
よい。

また第２マークの近傍位置Ｘ　ｇ　−Ｘ　ｅの間でのみ
、スライスレベルをＣＬｌにしたが、これに変えてコン
パレータ３１には第１マークの学習結果に基づいてレベ
ルＣＬ４をただちに印加するようにし、位置Ｘｇ−Ｘｅ
Ｏ間でのみトリガ回路３２ａを作動状態にするようにし
てもよい。

またアライメント方式として、ウェハ面のみでなくレチ
クル面のマークもレーザスポット光で検出する方式、具
体的にはレチクル上のマークとウェハ上の複数のマーク
とをレーザ光で走査する方式等が同様に利用できる。

（発明の効果） 以上、本発明によれば初めに走査で検出されたパターン
の光電信号に基づいて、次に走査するであろう同一形状
のパターンの位置を検出して最適な信号処理に移行する
ため、位置検出に要する処理時間が短縮されるといった
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明の第１の実施例に適用されるア
ライメントマークとスポット光との配置を示す平面図、
第１図（Ｂ）は第１実施例における信号処理系の特徴的
な部分を示す回路ブロック図、第２図は第１実施例によ
る位置検出装置の構成を示す図、第３図は第１実施例の
動作を説明するフローチャート図、第４図（Ａ）、（Ｂ
）は第１実施例の動作により得られるマークパターンの
波形を示す波形図、第５図は本発明の第２の実施例によ
る位置検出装置の特徴的な部分の構成を示す回路ブロッ
ク図、第６図は第２実施例の動作を説明するフローチャ
ート図、第７図は第２実施例の動作により得られるマー
クパターンの波形、及びトリガ信号を表わす波形図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 位置検出すべき方向にほぼ同一形状のパターンが複数形
   成された基板を保持する手段と；該基板に所定形状の光
   ビームを照射する手段と；該光ビームと前記基板とを前
   記検出方向に相対的に走査する手段と；該走査により前
   記複数のパターンから発生する光情報を受光して該パタ
   ーンの各々に応じた光電信号を出力する光電検出器と；
   前記光ビームと前記基板との相対走査中に前記複数のパ
   ターンのうちの特定のパターンに応じた前記光電信号の
   波形位置を検定し、該検定された結果に応じて、前記特
   定のパターンの後に引き続いて走査される前記パターン
   に対応した光電信号を特定して、前記パターンの位置を
   決定するパターン認識手段とを備えたことを特徴とする
   位置検出装置。