JPS6338103A - 位置合わせ装置 - 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） 本発明は半導体素子製造用の露光装置等のようにマスク
と感光基板（ウェハ）とを位置合わせ（アライメント）
するための装置に関し、特に光ビームを走査してマスク
上のマークと基板上のマークとを検出する方式の装置に
関する。

（従来の技術） この種の露光装置として近年製造現場では縮小投影型露
光装置、いわゆるステッパーが多用されている。このス
テッパーはレチクル（マスクと同義）に形成されたパタ
ーンを、半導体ウェハのフォトレジスト層に投影レンズ
を介して露光するものである。通常ウェハ上には先の工
程でパターンが形成されており、これに対して新たなレ
チクルのパターン像を正確に位置合わせして重ね焼きす
ることによって回路パターンを作り込んでいる。

この場合、ウェハ上に形成されたマークとレチクル上の
マークとを検出してレチクルとウェハとを位置合わせす
る作業、いわゆるアライメントが必須になる。従来より
、光学的にアライメントを行なう方法として、レチクル
とウェハの各マークをレーザー光束のスポットで走査し
、両マークからの散乱光を同時に光電検出するオートア
ライメントが知られている。この場合光電検出された光
電信号の波形上にはレチクル上のマークに応じたピーク
（又はボトム）とウェハ上のマークに応じたピーク　（
又はボトム）とがともに存在する。

（発明が解決しようとする問題点） 一般に、レチクル上に形成されたマークは、クロム（Ｃ
ｒ）等のパターンであるため、クロム層の厚さには多少
のばらつきがあるものの、光学的な特性はどのレチクル
でもほぼ一定と言える。これに対してウェハ上に形成さ
れたマークはウェハ表面の化学処理やレジストの種類や
塗布状態によって光学的な特性の変化が著しい。このた
め従来のようにレチクルのマークとウェハのマークとか
らの両数乱光を１つの光電検出器で受光してしまうと、
場合によっては光電信号の波形上のピーク（又はボトム
）の大きさがレチクル側とウェハ側とで極端に異なって
くることがある。このように極端に大きさの異なる波形
に基づいて信号処理によってマーク位置検出を行なって
も、良好なアライメント精度は得られず、場合によって
は処理不能に陥ることもあった。

（問題点を解決する為の手段） 本発明においてはレチクル（マスク）に形成するマーク
とウェハ（基板）に形成するマークとのうち一方を、所
定方向に回折光を発生する回折格子状のパターンとし、
他方を、所定方向に交差する方向に散乱光を発する直線
的なエツジを有するパターンとし、これら２つのマーク
を光ビームで走査したときに生じる回折光と散乱光とを
対物光学系でともに受光する。そして対物光学系の瞳と
ほぼ共役な位置で回折光と散乱光とを個別に検出する光
電検出器を設け、２つのマークの夫々からの光情報に対
応した２つの光電信号に基づいて２つのマークの位置関
係（合わせずれ等）を検出する信号処理手段とを設ける
。

（作用） マスクのマークに対応した光電信号と、基板（ウェハ）
に対応した光電信号とを別個に取り出すことによって、
光電信号の波形に応じて適切なゲインを選択することが
できる。例えばウェハのマークに対応した光電信号の波
形が小さければ、その光電信号を適当に増幅して、レチ
クルのマークに対応した光電信号の波形と大きさを揃え
ることができる。また回折格子のパターンの方向とエツ
ジパターンの方向を適宜室めることによって、対物光学
系の瞳面においては回折光と散乱光とをほぼ明確に分離
することができる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例による位置合わせ装置を投影型
露光装置に適用した場合の構成を示す図である。第１図
において、回路パターンとともにアライメントマークＲ
Ｍを有するレチクルＲは投影レンズ１の上方に配置され
る。投影レンズ【は本実施例では両テレセントリフク系
であるものとする。投影レンズ１の下方にはレジストの
塗布されたウェハＷがステージ２に載置して配置される
。

ウェハＷにはアライメントマークＲＭと重なり合う位置
にアライメントマークＷＭが形成されている。ステージ
２はモーター３、ドライバー４によって２次元移動し、
特に露光の際はＸ方向とＸ方向とにステッピング移動す
る。またステージ２上のウェハＷとは異なる位置には、
マークＷＭと同形の基準マークＦＭが固定されている。

さて、マークＲＭとＷＭとの検出は、レーザー光源６か
らのレーザー光ＬＢをレチクルＲと投影レンズ１を介し
たウェハＷとに照射することによって行なわれる。レー
ザー光源６からのレーザー光は、まずシリンドリカルレ
ンズ等を含むビーム成形光学系８によって断面が細長く
なるように形成された後、スキャナーミラー（振動鏡）
１０によって偏向及び走査され、リレーレンズ系１２、
ビームスプリッタ（ハーフミラ−）１４を介してアライ
メント用の対物光学系１６に入射する。これによって、
レチクルＲ上には単振動するシート状のレーザスポット
光が結像する。このスポット光はマークＲＭの透明部を
介して投影レンズ１に入射し、投影レンズ１により再度
ウェハＷ上に結像する。尚、対物光学系１６の瞳は投影
レンズ１の瞳ｅｐと共役に定められ、かつレチクルＲ側
でテレセントリックであるものとする。

ところで、レチクルＲのマークＲＭは第２図に示すよう
な平面形状であり、遮光部（クロム層）の内側に透明な
矩形窓ＲＷが形成されている。この窓Ｒｗは本実施例で
はＸ方向とＸ方向との夫々に平行な４辺を有する正方形
である。レーザー光ＬＢによるスポット光ＳＰは、Ｘ方
向に伸びたシート状であり、振動方向はＸ方向くスポッ
ト光ＳＰの長手方向と直交する方向）に定められている
。

またスポット光ＳＰの往復走査の範囲は窓ＲＷのＸ方向
の幅、すなわちＸ方向に伸びたエツジＥ。

とＥ２の間隔よりも大きくなるように定められている。

そしてこのエツジＥ、とＥ２がアライメントのために使
われる。

一方、ウェハＷのマークＷＭは第３図に示すような平面
形状であり、ウェハＷの表面に凸部、又は凹部として微
小な正方形の格子素子を、Ｘ方向とＸ方向とに一定ピッ
チで配列して形成した十字状の回折格子である。マーク
ＲＭの窓ＲＷを透過してウェハＷ上に結像したスポット
光ＳＰはマークＷＭをＸ方向に往復走査する。そしてマ
ークＷＭのうちＸ方向に伸びた回折格子がアライメント
のために使われる。スポット光ＳＰがレチクルＲのマー
クＲＭを走査すると、エツジＥ　Ｉ　とＥ２の夫々で散
乱光が生じる。この散乱光はスポット光ＳＰがＸ方向に
伸びていることから、第２図中においてｘ−Ｚ平面（紙
面と垂直でｙ軸と垂直な面）に沿って１頃斜した方向に
強く発生する。またスポット光ＳＰがウェハＷのマーク
ＷＭを走査すると、Ｘ方向に伸びた回折格子にスポット
光ＳＰが重なったとき、レーザー光の波長や格子定数に
応じて特有の回折光が生じる。この回折光はｙ−Ｚ平面
（紙面と垂直でＸ軸と垂直な面）に沿って傾斜した方向
に発生する。

レーザー光ＬＢの波長を、露光用の照明光の波長とほぼ
等しくする場合は、第１図のままでよいが、波長が異な
るときはレチクルＲと投影レンズ１との間に色収差補正
用のレンズを入れる必要がある。また露光波長とレーザ
ー光ＬＢの波長が等しい場合は、ウェハＷ上でのスポッ
ト光ＳＰの走査によりレジストが感光することになる。

そのため第２図に示したマークＲＷの窓ＲＷの周辺の遮
光部の大きさは、スポット光ＳＰの走査範囲の大きさ、
レチクルＲの装置に対する位置決め精度、あるいはレチ
クルＲをアライメントのために微動させる際の微動範囲
の大きさ等を考慮して決定される。そしていかなる場合
もマークＲＭの遮光部の外側にスポット光ＳＰがはみ出
さないように定められている。

さて、第１図の説明に戻り、マークＷＭからの光情報（
正反射光、回折光、散乱光等）は投影レンズ１、レチク
ルＲを介して、マークＲＭからの光情報（正反射光、散
乱光等）とともに対物光学系１６に入射し、ビームスプ
リッタ１４で反射されてリレー系１８に入射する。リレ
ー系１８からの光情報はハーフミラ−２０によって２つ
に分割され、ハーフミラ−２０を透過した光情報は空間
フィルター２２を介して集光レンズ２４により光電素子
２６の受光面に集光される。またハーフミラ−２０で反
射した光情報は空間フィルター２８を介して集光レンズ
３０により光電素子３２の受光面に集光される。空間フ
ィルター２２と２８はともに投影レンズ１の瞳ｅｐ、又
は対物光学系１６の瞳と共役であり、レチクルＲ、ウェ
ハＷからの光情報のうち正反射光はカットする。

ところでスキャナーミラー１０の振動中心を瞳ｅｐと共
役にしておくと、レーザー光ＬＢの主光線はレチクルＲ
とウェハＷとに対して垂直になり、空間フィルター２２
．２８　（又は瞳、フーリエ面）の位置において反射光
（正反射光、散乱光、回折光）は静止状態になる。さて
光電素子２６はレチクルＲのマークＲＭからのエツジ散
乱光の強さに応じた光電信号をアンプ４０に出力し、ア
ンプ４０は一定の増幅率で光電（に号を増幅する。光電
素子３２はウェハＷのマークＷＭからの回折光の強さに
応じた光電信号をアンプ４２に出力し、アンプ４２は一
定の増幅率で光電信号を増幅する。

自動利得制御回路（以下ＡＧＣ回路とする）４４はアン
プ４０からの光電信号ＩＲを入力して、その波形上のピ
ークとボトムとが所定のレンジに納まるようにゲインコ
ントロールする。ＡＧＣ回路４６はアンプ４２からの光
電信号ＩＷを入力して、同様にゲインコントロールする
。ＡＧＣ回路４４．４６は発振回路（以下ＯＳＣとする
）４８がらの発振信号ＦＳを入力し、この発振信号ＦＳ
に応答してゲインコントロールを行なう。０３Ｃ４８は
駆動系５０を介してスキャナーミラー１０を振動させる
ものである。ＡＧＣ回路４４．４６からの信号ＩＲ”、
ＩＷ’　は加算回路５２でアナログ加算された後、信号
処理系５４に入力する。信号処理系５４は信号ＩＲ’、
ＩＷ’　の加算波形に基づいてマークＲＭ（！：ＷＭと
の走査方向のずれを検出する。信号処理系５４の波形検
出は、スキャナーミラーｌＯの偏向角に基づいてスポッ
ト光ＳＰの走査位置を検出するパルスジェネレータ（以
下ＰＧとする）５６からのパルス信号ＳＳの入力に基づ
いて行なわれる。信号処理系５４で検出されたずれ量は
ドライバー４に送られ、ドライバー４はそのずれ量に応
じてモーター３を駆動し、ウェハＷとレチクルＲとの精
密な位置合わせを行なう。

第４図、第５図はそれぞれ空間フィルター２８．２２の
平面的な形状を示す。空間フィルター２８（第４図参照
）はマークＷＭからの回折光を抽出（透過）するもので
あり、正反射光ＮＬを遮光する遮光部２８ｃは図中Ｘ方
向に伸びている。そして遮光部２８ｃをはさんで半円状
の透過部２８ａ、２８ｂが設けられ、この透過部２８ａ
を通して回折光のうち＋１次、＋２次、＋３次等の正の
高次光＋Ｄが抽出され、透過部２８ｂを通して一１次、
−２次、−３次等の負の高次光−りが抽出される。

一方空間フイルター２２（第５図参照）はマークＲＭの
エツジＥ＋　、Ｅｘからの散乱光を抽出するものであり
、正反射光ＮＬを遮光する遮光部２２Ｃは図中ｙ方向に
伸びている。そして遮光部２２Ｃをはさんで円弧状の透
過部２２ａ、２２ｂが設けられ、これら透過部２２ａ、
２２ｂを通して、正反射光ＮＬのＸ方向の両脇に戻って
くる散乱光Ｓが抽出される。第４図において空間フィル
ター２８にはマークＲＭからの散乱光Ｓも達するが、こ
れは遮光部２８ｃにより丁度カットされる。また第５図
において空間フィルター２２にはマークＷＭからの回折
光＋Ｄ、−りも達するが、これは遮光部２２ｃにより丁
度カットされる。

第６図はＡＧＣ回路４４．４６の構成を示すブロック図
であり、ここではＡＧＣ回路４６のみの構成を示す。

光電信号ＩＷは外部コントロール信号ＣＳに応じて増幅
率の変化する可変利得アンプ４６ａに入力する。光電信
号ＩＷは、発振信号ＦＳに応答してピーク・ツウ・ピー
クの大きさに関してサンプル・アンド・ホールドを行な
うＰ−ＰＳ／Ｈ回路４６ｂに入力する。ピークホールド
された信号は演算回路４６ｃに入力し、ここで所定のコ
ントロール信号ＣＳが算出される。演算回路４６ｃは信
号ＩＷの振幅と予め定められた最適な振幅との比較に基
づいてコントロール信号Ｃ３を作り出すものである。Ａ
ＧＣ回路４４についても同様の構成である。本実施例で
はＰ　−Ｐ　Ｓ／Ｈ回路４６ｂはスポット光ＳＰが往復
走査の往路又は復路の一方の期間においてサンプルモー
ドになり、他方の期間においてホールドモードになるよ
うに信号ＦＳに基づいて切替えられる。

第７図は信号処理系５４の主要部の回路ブロック図であ
り、加算回路５２からの加算信号Ｉはアナログ−デジタ
ル変換器（ＡＤＣ）５４ａにより、パルス信号ＳＳのパ
ルスに応答してデジタル値に変換される。そのデジタル
値はメモリ５４ｂに記憶される。カウンタ５４ｃはパル
ス信号ＳＳのパルス数を計数して、その値をメモリ５４
ｂのアドレス値として出力する。カウンタ５４ｃの計数
はスポット光ＳＰの一方向への走査中のみで、かつＰ−
ＰＳ／Ｈ回路４６ｂがホールドモードのときに行なわれ
る。従ってメモリ５４ｂ内には加算信号Ｉの波形データ
が記憶され、この波形データに基づいて演算回路５４ｄ
はマークＲＭのエツジＥ１とＥ２、及びマークＷＭの位
置関係を検出し、そのずれ量に応じた情報をドライバー
４に出力する。

次に第７図を参照してアライメント動作を説明する。第
７図（ａ）はマークＲＭの窓ＲｗとマークＷＭとの配置
の一例を示し、第７図（ｂ）は光電信号ＩＲ’の波形を
示し、第７図（ｃ）は光電信号ｒｗ’の波形を示す。ス
ポット光ｓｐが窓ＲＷのエツジＥ、　、Ｅ、を横切るよ
うに走査している際、スポット光ＳＰが図中右から左に
走査する期間においてＰ　−Ｐ　Ｓ　／　Ｈ回路４６ｂ
はサンプルモードになり、逆に左から右に走査する期間
においてはホールドモードになる。そしてホールドモー
ドの際に、メモリ５４ｂには信号ＩＲ’　と■Ｗ′との
加算された波形が記憶される。演算回路５４ｄは第７図
（ｂ）、（Ｃ）に示すように、エツジＥ１に対応したパ
ルス波形Ｐ＋　のメモリアドレス上の位置をＸＩ、エツ
ジＥ２に対応したパルス波形Ｐｔのアドレス上の位置を
Ｘ！、そしてマークＷＭに対応したパルス波形Ｐ３のア
ドレス上の位置をＸ、として算出する。そして位置Ｘｌ
とＸ２の中点に対する位置Ｘ、のずれ量ΔＸを算出する
。

第７図（ｂ）において、信号ＩＲ’　にはマークＷＭの
エツジＥ、、Ｅ２と平行なエツジ部分からの散乱光によ
って小さなピーク波形が含まれている。

このようにレチクル側のマークの波形とウェハ側のマー
クの波形とは極端に大きさが異なることもあり、第７図
（ｂ）のような波形からウェハのマークＷＭの位置を検
出することは困難となる。もちろん本実施例の場合、マ
ークＷＭが回折格子であることから、空間フィルター２
２に達する散乱光はもともと少ない。そこでマークＷＭ
を単純な線状のパターンにすれば、エツジ散乱は大きく
なるが、空間フィルター上でマークＲＭからの散乱光と
分離して検出することは不可能となる。

以上本実施例のアライメント動作を説明したが、ステー
ジ２にはマークＷＭと同等の回折格子状の基準マークＦ
Ｍが設けられているので、装置のセルフチエツク（自己
計測）が可能となる。例えばレチクルＲ上の線対称な位
置の夫々にマークＲＭの窓Ｒｗを設けておき、ステージ
２には２次元的な位置計測を行なうレーザー干渉式測長
器（干渉計）を設けておく。２ケ所のマークＲＭの間隔
はレチクル上で予め精密に計測されているものとする。

基準マークＦＭを２ケ所のマークＲＭの夫々とアライメ
ントしたときのステージ２の移動量を干渉計で計測する
と、２ケ所のマークＲＭの投影レンズ１による像の間隔
が検出できる。この間隔を知ることによって、投影レン
ズ１自体の倍率誤差や倍率の変動等がただちに求まる。

この場合、第１図に示したアライメント光学系をもう一
組用意する必要がある。また２ケ所のマークＲＭを用い
ればレチクルＲとウェハＷ上の露光すべきショット領域
との相対的な回転誤差も検出できる。

以上本実施例においてはＸ方向のアライメントについて
のみ説明したが、スポット光ＳＰを９０゜回転させてＸ
方向に窓ＲｗとマークＷＭとを走査すれば、同様にＸ方
向のアライメントができる。

またマークＷＭを単なる十字状の線状パターンとして、
ＥＲｗのエツジＥ、　、Ｅ、の位置に回折格子を設けて
も同様にレチクルＲとウェハＷとを別個に検出すること
ができる。

さらに信号処理系５４はレベル調整されたレチクル側の
光電信号とウェハ側の光電信号とを加算して処理したが
、その２つの光電信号を独立にメモリに記憶して、マー
クＲＭとＷＭとの位置を別々に算出した後、ずれ量を求
めても同様の効果が得られる。またアライメントの際、
レチクルＲを微動させてもよい。また空間フィルター２
２．２８の透過部を受光面とするような光電素子にする
と空間フィルターを１枚にすることができる。すなわち
第４図、第５図からも明らかなように、回折光＋Ｄ、−
Ｄ、散乱光Ｓの瞳上での分布はほぼ完全に分離している
。そこで１枚の空間フィルター上で回折光＋Ｄ、−りの
通る位置と、散乱光Ｓの通る位置との夫々に透過部を形
成し、各透過部に別々の受光面がくるように４つの光電
素子を配置すればよい。

さらに基準マークＦＭとマークＲＭとを用いると、投影
レンズ１のテレセン性（主光線の光軸に対する傾き）を
チエツクすることもできる。この場合、レチクルＲのマ
ークＲＭの窓Ｒｗ内に基準マークＦＭを位置させ、ステ
ージ２（実際にはウェハＷと基準マークＦＭとを保持す
るＺステージ）を一定ピツチ（例えば０．５μｍ）だけ
上下動させては、マークＲＭと基準マークＦＭとの位置
ずれ量を検出することを繰り返す。この上下動によって
マークＲＭに対する基準マークＦＭの位置がずれなけれ
ばテレセン性はくずれていないことになる。もちろん上
下動の量と基準マークＦＭの横ずれ量とに基づいてテレ
セン性の傾きも定量的に求まる。

また第６図に示したＡＧＣ回路においては、往復走査の
どちらか一方でサンプルモードになり、他方でホールド
モードになると説明したが、往路と復路とでともにサン
プリング（ピーク検出）を行なってもよい。例えば往路
でサンプリングを行ない、復路で信号波形の読み込みを
行なう際、同時にサンプリングを行なっておく。何らか
の理由で復路での信号読み込みの際にＡＧＣのレベルが
狂った時は、引き続き往路で再度信号の読み込みを行な
う。この場合、その前の復路でのサンプル値に基づいて
ＡＧＣのレベル（信号Ｃ３）を設定する。

（発明の効果） 以上本発明によれば、マスクのマークからの光情報と基
板（ウェハ等）のマークからの光情報を独立に光電検出
できるため、双方の信号に対して独立にゲイン・オフセ
ットの最適化を計ることができ、一方の信号のレベルが
大きすぎて、他方の信号のＳ／Ｎが悪くなったり、レベ
ルの大きな方に波形が引きずられて誤差を生じるといっ
たことがなく、常に最良の状態で信号検出ができるとい
った効果が得られる。このためアライメント精度が向上
するといった利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による位置合わせ装置を投影型
露光装置に適用した場合の構成を示す図、第２図はレチ
クル側のマークの形状を表す平面図、第３図はウェハ側
のマークの形状を表す平面図、第４図はウェハのマーク
検出用の空間フィルターの形状を示す平面図、第５図は
レチクルのマーク検出用の空間フィルターの形状を示す
平面図、第６図は自動利得制御回路の構成を示す回路ブ
ロック図、第７図は信号処理系の構成を示す回路ブロッ
ク図、第８図はマーク検出動作により得られる信号波形
を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｒ・・・レチクル、 Ｗ・・・ウェハ、 ＲＭ、ＷＭ・・・マーク、 ６・・・レーザ光源、 １０・・・スキャナーミラー、 １６・・・対物光学系、 ２２．２８・・・空間フィルター、 ２６．３２・・・光電素子、 ４４．４６・・・ＡＧＣ回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マスク上に形成された第１マークと、該マスクと位置合
   わせされるべき基板上に形成された第２マークとを光ビ
   ームで走査し、前記第１マークと第２マークの夫々から
   の光情報に基づいて前記マスクと基板とを位置合わせす
   る装置において、前記第１マークと第２マークの一方が
   所定方向に回折光を発生する回折格子状のパターンであ
   り、他方が前記所定方向と交差する方向に散乱光を発生
   するほぼ直線的なエッジを有するパターンであり、前記
   光ビームが前記第１マークと第２マークとを走査したと
   きに発生する回折光と散乱光をともに入射する対物光学
   系と；該対物光学系の瞳とほぼ共役な位置において前記
   回折光と散乱光とを個別に受光し、その大きさに応じた
   ２つの光電信号を出力する光電検出手段と；該２つの光
   電信号の夫々に基づいて前記第１マークと第２マークと
   の位置関係を検出する信号処理手段とを設けたことを特
   徴とする位置合わせ装置。