JPS6352455B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、可視及び柴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、該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VSI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またはイ
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、従来は、上述のステツプアライメント
を行なうために、投影レンズの上部に例えば後述
する第１図のごと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していた。この種のも
のはアライメント光学系ないし装置と一般には呼
ばれる。

ここで本発明の基礎となるアライメント装置の
一例を第１図、第２図を参照して説明する。両図
において、結像光学系（投影レンズ）２は投影露
光として考えると像側、アライメントのためのマ
ーク観察として考えると物体（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
部或いは一部が受光素子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。

こうした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なわれる。

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と同じ輪郭の像を形成するように
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（光軸外の主光線が傾いている）であ
り、その、主光線に合わせて観察光学系の光軸を
傾けておくからである。但しマーク周辺の極めて
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れに
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の存在しない所へ投影さ
れたスリツト像のときは、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
ている為この反射光は往路と同じ光路を戻り受光
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、格子周期
を4μｍ（照明光としての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。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とウエハマーク
１１の相対位置が受光素子８の出力の変動として
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。

しかしながら、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いといつた
欠点があつた。

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、工程の繁雑さが問題である。

その為、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アラ
イメント方法も提案されている。

しかしながら、いずれのアライメント方法にお
いても、アライメントのための観察光学系はマス
クの上方に配置されるが、マスクの大きさ（回路
パターンの大きさ）によりアライメント位置、す
なわちアライメントマークのマスク上での観察位
置を変える場合、この観察光学系を移動させるこ
とになる。この際、第１図に示したように、特に
結像光学系２のマスク側が非テレセントリツクで
あると、観察光学系はその光軸がアライメント位
置に応じて傾き量を変えるような動きもしなけれ
ばならない。このことは原理的には可能である
が、装置化を考えた場合はそれ程容易なことでは
ない。

従つて本発明は上記欠点を解決し、結像光学系
を介してマスクとウエハをアライメントする際、
アライメント位置（観察位置）に応じてマスクと
結像光学系との間の主光線の傾き量が異なつた場
合でも常に安定したコントラストでマーク検出可
能なアライメント装置を提供することを目的とす
る。

この目的を達成するために、本発明において
は、アライメント用の照明光を発正する光源（水
銀灯又はレーザ光源）と；この光源からの照明光
をマスクと結像光学系（少なくともウエハ側がテ
レセントリツクな投影レンズ）を介してウエハに
照射するとともに、ウエハの所定位置に形成され
たアライメント用のマークからの光情報を検出す
るために、結像光学系の光軸とほぼ平行（マスク
面に対して垂直）な光軸を有するように光源とマ
スクとの間に配置され、その両光軸の平行状態を
保つたまま観察位置を可変とした観察光学系と；
この観察光学系の実質的な瞳位置において、マー
クからの正反射光を除く散乱光もしくは回折光を
受光する受光部を備えた光電検出手段を設け、観
察光学系が観察位置を変えるとき、観察光学系の
光軸と結像光学系の軸外の主光線との相対的な傾
き変化量に対応して、観察光学系を通る散乱光又
は回折光と、光電検出手段の受光部とを観察光学
系の光軸とほぼ直交する方向に相対移動させる構
成にした。

ここで、第１図及び第２図に示した装置の一例
に反射型帯状遮光板を加えて良好なコントラスト
を実現する形式の本発明の前提となる技術を第４
図、第５図を参照して説明する。

第４図ａに図示の装置において、瞳位置５の近
傍には反射型遮光板５ａが観察系の光軸に対して
傾斜して設置されている。この反射型遮光板５ａ
は照明光束側からは帯状遮光板としての働きを
し、帯状開口部以外は鏡面となつていて照明光束
を制限すると共に受光素子８に対する反射結像系
を作つている。反射型遮光板５ａのＹ軸両方向か
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（ｙ方向）と直交するｘ方向に帯状にのびた照
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１１とマスク
アライメントマーク１０との関係は、焼付のため
の結像光学系２の倍率を考慮し、略ウエハアライ
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ｂ参
照）。

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反射型
遮光板５ａの開口部を通過するように、スリツト
像を作る照明光束が遮光板５ａの瞳中心に相当す
る位置に設けられた帯状（スリツト状）の開口部
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発生する反射光
については、±１次以上の回折光は反射型遮光板
５ａの反射面に当たり０次光のみしか帯状開口部
から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以下になるように反射型
遮光板５ａの構造を決めればよい。

従つて、スリツト像はウエハ３上でアライメン
トマーク１１の存在しないときは全反射し、反射
型遮光板５ａの帯状開口部（中心部）を通つてそ
のまま通過し光電検出はされない。

しかし、ウエハ３上にアライメントマーク１１
があるときは散乱と回折を起こし、回折光の大部
分は反射型遮光板５ａの鏡面に到達してそこで反
射して受光素子８に入る。これがアライメント位
置信号となる。マスクアライメントーク１０ａに
ついても同様である。

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
従来の第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反射型遮光板５ａも45゜傾
く。

以上の如く、本発明の前提となる技術では、照
明光束を観察光学系の瞳付近で帯状に制限するこ
と、即ち出来るだけ多くの光量を通過させるため
に周期物体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（スリツト状の像
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よ
うとするものである。

一般にHgランプの如き照明光はレーザ光と異
なり、照明系で開口数を小さくすると光量の低下
が起こつて不都合となるが、本発明は一方向のみ
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
た照明光下でマスクアライメントマーク及びウエ
ハアライメントマークから反射して帰つてくる結
像光線とも言える回折光は、マスクアライメント
マーク及び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、上記瞳付近に設けた反
射型帯状遮光板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、像側（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、Hgランプによる照
明光のもとでも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。いずれにせよ、
Hg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、スリツト状の照明光をウエハに照射する場
合に、Hgランプの如き光束の広がる光源を用い
た照明系であつても、瞳位置では照明光束の一方
向しか遮光しないので光量を多量にとれて、レー
ザを用いて瞳の中心部分のみ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。

次に、上記本発明の前提となる技術を用いた本
発明の実施例を第７図を参照して説明する。先の
第４図に示したように、特に結像光学系２のマス
ク側が非テレセントリツク系である場合、結像光
学系２の光軸外にアライメント位置（観察位置）
が存在すると、観察光学系の光軸は結像光学系の
傾斜した結像光主光線と一致して瞳中心（入射瞳
１の中心）を通るように系が組まれる。ところ
で、マスクの大きさ（具体的には回路パターンの
大きさ）が変わると、マークの位置も変わるた
め、アライメント（観察）位置を変えるべく、観
察光学系を移動させることが考えられる。この場
合アライメント位置によつて結像光主光線の傾き
量も異なつてくる。そのため、アライメント位置
を変えるたびに観察光学系の光軸の傾き量も変わ
るように観察光学系を動かさなければならない。
このような動作は話の上では簡単であるが、装置
化を考えるとはなはだ難しい点が多い。

そこで、本実施例では第７図に示すように、観
察光学系の光軸AXがマスク４の面に対して垂
直、即ち結像光学系２の光軸と平行に保たれた状
態で、アライメント位置の変化に応じて矢印Ａの
ように観察光学系を移動可能に構成する。そし
て、先の第４図で示したような空間フイルターと
して機能する遮光板５ａが、観察光学系の実質的
な瞳位置でアライメント位置の変化に応じて矢印
Ｂの方向に動くように構成する。この遮光板５ａ
の動きは、例えば第７図のように結像光学系２の
光軸に対して放射方向にアライメント装置が変わ
る場合は基本的に一方向（平行移動）でよいので
装置化は極めて容易である。このように遮光板５
ａのスリツト状開口部の位置がアライメント位置
の変化、即ち結像光主光線の傾き変化に応じて瞳
面内で動くことにより、ウエハアライメントマー
ク１１からの正反射光（０次光）と回折光（又は
散乱光）とが常に正確に分離され、回折光（又は
散乱光）のみが受光素子８に導かれることにな
る。。尚、本発明ではこのように移動する遮光板
５ａと受光素子８の両方をもつて光電検出手段と
してある。

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（酸化シリコ
ン）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、正反射光と回折光（散乱
光）とが明瞭に分離でき、暗視野検出（正反射光
を遮断した光検出）において十分なコントラスト
が得られるとともに、アライメント位置の変化に
よつてもマーク検出のコントラストが安定してい
るから、マーク位置（観察位置）がどこにあつて
もよいことになる。即ち、マスク上（又はウエハ
上）のマーク配置が自由になり、マスクの設計、
ウエハプロセスの設計が楽になるといつた利点を
生む。

第２に、マスク側非テレセントリツクな結像光
学系であつても、観察位置の変化による観察光学
系の移動、及び空間フイルターとして機能する光
電検出手段の回折光又は散乱光の瞳面内での受光
位置の移動はともに簡単な平行移動のみでよく、
精度の向上が期待される。

【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
前提となる技術を説明する図、第５図は反射型遮
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図及び第２図に示したア
ライメント装置と第４図に示した装置のそれとの
コントラストを比較するグラフ図、そして第７図
は本発明の実施例によるアライメント装置を説明
する図である。 ［主要部分の符号の説明］、結像光学系……２、
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……５
ａ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスクに形成されたパターンを感光基板上に
   結像投影するために、該マスクと感光基板との間
   に配置され、少なくとも該感光基板側がテレセン
   トリツクな結像光学系と、前記感光基板に形成さ
   れたアライメント用のマークへの照明光を発生す
   る照明手段と、該照明光を前記マスクと結像光学
   系とを介して前記感光基板へ照射するとともに、
   前記感光基板のマークからの光情報を前記結像光
   学系と前記マスクとを介して検出するために、前
   記照明手段と前記マスクとの間に配置された観察
   光学系とを備えた装置において、 前記観察光学系は、前記マスクの面とほぼ垂直
   に配置されるとともに、前記結像光学系の光軸外
   のマスク面上の任意の観察位置を介して前記感光
   基板のマークからの光情報を検出するために、前
   記垂直な状態を保つて可動に構成されており；前
   記観察光学系の実質的な瞳の位置又はその近傍に
   おいて、前記観察光学系を通つた前記マークから
   の光情報のうち、正反射光を除く散乱光または回
   折光を光電検出するために、該散乱光又は回折光
   の前記瞳の面での分布に合わせた受光部を有する
   光電検出手段が設けられ；前記観察光学系が観察
   位置を変えるとき、前記観察光学系の光軸と前記
   結像光学系の軸外の主光線との相対的な傾き変化
   量に対応して、前記観察光学系を通る前記散乱光
   又は回折光と前記光電検出手段の受光部とを前記
   観察光学系の光軸と交差する方向に相対移動させ
   ることを特徴とするアライメント装置。 ２ 前記光電変換手段は、前記観察光学系の実質
   的な瞳の位置又はその近傍に配置されて、前記散
   乱光または回折光を選択的に抽出する部分を前記
   受光部として備えた空間フイルターと、該抽出さ
   れた散乱光または回折光を受光して、その強度に
   応じた信号を出力する受光素子とを有し、 前記観察光学系を通つて前記空間フイルターに
   達する前記散乱光又は回折光及び前記空間フイル
   ターを、前記観察位置の変化に伴う前記傾き変化
   量に連動して相対移動可能に設けたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のアライメント
   装置。 ３ 前記照明手段は、前記観察光学系を介して前
   記結像光学系に入射する照明光を、前記結像光学
   系の入射瞳の面で一方向に伸びた帯状分布に制限
   する制限する制限手段を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載のアライメント装置。 ４ 前記照明手段は、前記観察光学系と前記結像
   光学系とを介して前記基板を照明する照明光の形
   状を、前記制限手段により制限された前記照明光
   の入射瞳での帯状分布の長手方向と交差する方向
   に伸びたスリツト上に形成する形成手段を含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載のア
   ライメント装置。