JPS636840A - アライメント装置 - 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、マスク上のパターンを感応性基板（半導体ウ
ェハ等）　ＶＣ転写する際、マスクと基板とをアライメ
ントするための装置、特にマスク上（又はウェハ上）の
アライメントマークを光学的に検出するためのマーク検
出光学系の構成に関するものである。

（従来の技術） マスク上のパターンを感光性基板に転写し、超’ＬＳＩ
等の半導体素子を製造する装置として、縮小投影型露光
装置、所鯖ステッパーが使われるようになり、半導体素
子生産の歩留Ｖは、線幅の微細化、集積度の向上を妨げ
ることなく高められてき友。

この種の露光装置はレチクル（マスクと同義）上に形成
された回路パターンを、投影光学系〔レンズ、又はミラ
ー〕を介してウェハのフォトレジスト層にステップ・ア
ンド会リピート方式で露光するものである。

通常、ウェハ上には士数層の回路パターンが重ね合わさ
れて作り込まれるため、新次に投影露光する回路パター
ンは、ウエノ・上にすでに形成され九回路パターンと極
めて精密に位置合わせする必要がある。その位置合わせ
の方法は各攬公知のものがあるが、−般にＴＴＬアライ
メント法と呼ばれる方式は、露光すべきウエノ・上のシ
ョット領域ニ付随し几マークと、レチクルの回路ノ（タ
ーン領域に付随したマークとを直接光学的に観察し、そ
の両マークの位置ずれｔｌＭ出し几後、その位置ずれ量
が所定の誤差範囲内になるようにレチクルとウェハとを
相対的に微動させて位置合わせを行なうものである。

このような構成のアライメント光学装置の一例として、
特開昭５７−１４２６１２号（ＮＫＩ公報に開示された
ものが知られている。このアライメント光学装置は、レ
チクル上（又は同時につ二］・上）のマーク領域をクー
ラー照明するためのファイバー照明系と、アライメント
用の対物光学系と、４５°で斜設された全反射ミラーと
から成る。そして対物光学系の光軸はレチクルのパター
ン面とほぼ平行であり、全反射ミラーによってその元軸
がパターン面に対して垂直になるように折り曲けられて
いる。さらに対物光学系は全反射ミラー側の第１対物レ
ンズと照明系側の第２対物レンズとで構成され、その間
が平行系になるように配置されている。− 第１対物レンズと全反射ミラーとは一体になって対物光
学系の光軸方向に可動であり、レチクル上のマーク領域
の位置変化で対応できるようになっている。また第１対
物レンズと全反射ミラーとが一体に可動であることによ
って、回路パターン領域の内部にマークが設けられたレ
チクルを使う場合でも、アライメント時には全反射ミラ
ーをそのマークを観察する位置まで繰り出し、露光時に
は全反射ミラーの端部が回路パターン領域を遮光しない
位置まで退避するような使い方が可能である。

また同様の光学構成をもち、アライメント時には全反射
ミラーのみが繰り出し、露光時には全反射ミラーのみが
退避する方式も考えられる。この場合でもマーク位置の
変化に対応するためには対物光学系の全部、もしくはそ
の−部と全反射ミラーとが一体に可動することになる。

（発明が解決しようとする問題点） −般にこの樵の露光装置に使われる投影レンズは少なく
とも像側（ウエノ・側）がテレセントリックな系でアク
、投影レンズを介したレチクルマークとウェハマークと
の観察にあたっては、両マークへの照明がテレセン性を
維持して行なわれるとともに、両マークの観察軸（対物
光学系の光軸）が、投影レンズの光軸と平行に維持され
ていることが望まれる。しかしながら従来のアライメン
ト光学系では、アライメント用の照明穴が対物光学系と
全反射ミラーと全弁してレチクルマーク全照射し、さら
に投影レンズを通してウニ／・マークも照射するように
なっており、ウエノ・マークからの光は投影レンズを介
してレチクルに戻り、さらにレチクルマークからの光と
ともに貴び全反射ミラーで反射されて対物光学系に入射
するため、全反射ミラーの斜設角度ＶＣ誤差が生じると
、対物光学系の全反射ミラーによって折ジ曲けられた光
４１Ｉはレチクルのパターン面と垂直にならず、アライ
メント桔度（マーク検出８度）を悪化させるといった欠
点があった。特に、ステップ曇アンドーリピート方式の
ステ）バーで、ウェハ上の複数の７ミツト領域毎ＫＴＴ
Ｌアライメントを行なう場合、レチクルの回路パターン
領域の内部にマークがあると＠は、全反射ミラーが各シ
ョットの露光のたびに移動することになる。この次め全
反射ミラーの位置再現性が悪いと、ウエノ・上のシ１ッ
ト領域毎にアライメント精度がパラつくといった問題が
生じる。第５図は従来のアライメント光学系の概略的な
＊＃：全示し、１０１は回路パターンとアライメント用
のマークを有するレチクル、１０５は全反射ミラー、１
１８はアライメント用の第１対物レンズである。ＡＸは
投影レンズの光軸であり、レチクル１０１のパターン面
に対して垂直である。

第１対物レンズの光軸１１７はレチクル１０１のパター
ン面と平行であフ、４５°で斜設された全反射ミラー１
０５によって、光軸１１７はパターン面に対して垂直な
光軸１１５に折り曲けられる。

全反射ミラー１０５の位置再現性がよい場合、光軸１１
５はマーク１１４の中心を通るように設定される。しか
しながら全反射ミラー１０５の設定誤差によジ、二点鎖
線で示す１０５′の位置、すなわち反射面が第５図の紙
面内でθだけ狂って位置したものとすると、光軸１１７
は光軸１１５′のようにレチクル１０１のパターン面の
法線から２０だけ傾くように折り曲げられる。このため
、光軸１１５′はマーク１１４の中心から距離１２１だ
け離れ次点１２２を通ることになる。このように光＠ｆ
１５’が傾いていると、レチクル１０１上のマーク１１
４とウェハ上のマークとを重ね合わせて観察する場合に
誤差を生ずるのみならず、レチクル１０１のマーク１１
４のみ全観察して、レチクル１０１を装置に対してアラ
イメントする場合には距離１２１がその−１まアライメ
ント誤差となって現われることになる。

（問題点全解決するための手段ｊ 木兄ＦＪＡは、マスク上のパターンを感応性基板に転写
する際に、マ゛スクと基板とを相対的にアライメントす
る装置、特にマーク検出光学系に関し、マーク観察用の
対物光学系とマスクとの間に、観察光軸を屈曲させるミ
ラー等を含む光路屈曲手段が設けられる。光路屈曲手段
は相互に所定の角度で配置された少なくとも２つの反射
面を有する。

そして光路屈曲手段はアライメントのための光路中に挿
脱可能に支持され、その光路中に挿入されているときは
、２つの反射面と対物光学系とを介してマスク上のマー
ク、もしくは同時にウェハ上のマークを観察できるよう
に構成されている。

（作用） 光路屈曲手段として２つの反射面を設け、この反射面に
よって対物光学系の光軸がマスクの表面に対して垂直に
なるように、少なくとも２回の折り曲げを行なうことに
よって、光路屈曲手段の位置設定精度にかかわらず、観
察光＠を常にマスク面に対して酷直に保つことができる
。２つの反射面の成す角度はどのようなものであっても
よいが、その設定角度が狂わないように一体に保持して
おく。

（実施例） 第１図は、本発明の実施例によるアライメント装！ｌｔ
’ｉ投影型露光装置に組み込んだ際の概略的な構成を示
す。レチクル１にはマーク１４が設けられ、このレチク
ル１はレチクルホルダーＲＩ（に保持される。露光用の
照明光学系、特にコンデンサーレンズからの露光光２は
レチクル１の回路パターン領域のみを均一に照射するよ
うにレチクルブラインド（照明視野絞り）によって絞ら
れている。

回路パターンの像は投影レンズ３によってウエノ・４上
に結像され、露光が行なわれる。ウニｉ・４上にはアラ
イメント用のマーク１９が予め形成されているものとす
る。ウニ／・４ＶｉＸＹ方向に２次元移動するウェハス
テージＷＳ上にＩｋｌｌ！置される。またウェハステー
ジＷＳのウェノ・載置領域以外の一部には、マーク１９
と同等の基準マーフケ有する反射板ＦＭが固定されてい
る。

サテ、レチクル１のパターン面と平行な光ｓ１７に有す
る第１対物レンズ系１８は、レチクル１への露光光２を
遮光しない位置、すなわちレチクル１の回路パターンを
含む最大露光領域を遮光しない位置に設定される。光軸
１７はミラー６によってｌ／チクル１から離れる方向に
折り曲げられた後、ミラー５によってレチクルホルダー
して画直な光軸１５になるように折り曲けられる。この
２つのミラー５．６は、軸８の回りに回転自在に支持さ
れた揺動アーム７　ＶＣ固定されている。不実施例では
ミラー５．６の反射面の成す角度ヲ４５°としであるが
、この角度は特に限定されるものではない。また本実施
例では、レチクル１の中心付近にマーク１４がある場合
にもアライメントができるように、光軸１５は投影レン
ズ３の光軸ＡＸと一致するような位置に定めることがで
きる。揺動アーム７は軸１０を介してリンク部材９と連
結され、リンク部材９は＠ｌｌｋ介して水平方向（矢印
１３）に移動する可１ｅＪ部材１２の先端ＶＣ連結され
ている。従ってアライメント時に揺動アーム７を水平に
繰り出すことＶｃよって、マーク１４（又はマーク１９
］は、ミラー５．ミラー６及び第１対物レンズ系１８’
に介して観察できる。露光時には可動部材１２ｔ−第１
図右方向に動かし、揺動アーム７を軸８の回りにほぼ９
０°だけ時計方向に回転させると、揺動アーム７は二点
鎖線で示すような７′の位置に退避する。この位置はレ
チクル１の最大露光領域全照射する露光光２を遮断しな
いように定められている。尚、アライメント用の照明光
（観察用の光、あるいはオートアライメント用のレーザ
ビーム等）は不図示の照明系から第１対物レンズ系１８
に入射し、ミラー６で反射され次後ミラー５で反射され
てレチクル１（又は投影レンズ３を介してウエノ・４）
を照射することになる。ま次揺動アーム７の底部でミラ
ー５の真下にあたる部分は、当然のことでおるが、アラ
イメント用の照明光、マークからの観察光を遮光しない
ように切り取られている。

ところでレチクル上のマーク配置に関してＶｉ種々のも
のがあり、露光装置側でもそれに対応する必要がめる。

具体的には、レチクル１の中心から放射方向の種々の位
置にマーク１４が設けられるため、レチクルがかわる毎
にそのマーク全観察するべく、ミラー５．６と第１対物
レンズ系１８を光ｑｌｌ１７に沿って一体に移動させる
必要がある。

第２図は可動部材１２の駆動機構とマーク位置の変化に
対応した駆動機構とをより詳細に示した部分断面図であ
る。第２図において、第１図で示しｆｃ部材と同じ部材
には同一の符号を付しである。

第２図ではレチクルｌの中心をはさんで左右に同一のア
ライメント光学装置が配置され、左側のアライメント装
置の揺動アーム７は退避位置にあり、右側のアライメン
ト装置の揺動アーム７はアライメント位置にある。これ
らアライメント光学装置は、投影レンズ３を保持するコ
ラム３０の上端部に設けられる。このコラム３０にはレ
チクル１を保持するレチクルホルダーＲＨも取り付けら
れる。

コラム３０上にはベースブロック３２が設けられる。ベ
ースブロック３２の上方の部分３２ａＫｉモータ３３が
固定され、このモータ３３はカップリング３４を介して
送りネジ３５を回転させる。

送ジネジ３５の他端はペースブロック３２の一部分３２
ｂで回転自在に軸支されている。送りネジ３５の回転中
心軸と第１対物１／ンズ系１８の光軸１７とは第２図の
紙面内で平行である。送りネジ３５にはナツト３６が螺
合され、ナツト３６は、対物レンズ系１８．可動部材１
２．揺動アーム７等を保持する部材３８の一部分３８ａ
に固定されている。部材３８はベースブロック３２内を
図中左右方向に移動する工うに、リニアガイドを介して
取り付けられている。部材３８の対物レンズ１８の先端
側には軸８が設けられ、揺動アーム７の回転中心を成す
。部材３８の一部分３８ｂＫはモータ３９が設けられ、
とのモータ３９はカップリング４１を介して光軸１７と
平行な送りネジ４２を回転させる。送りネジ４２の他端
は部材３８の一部分３８Ｃで回転自在に軸支されている
。

送りネジ４２にはナツト４３が螺合され、ナツト４３は
可動部材１２と一体の部材４４の内部に固定されている
。この部材４４も不図示のＩＪ　ニアガイドを介して部
材３８に対して図中ｌＬ毛丈方向移動可能に設けられて
いる。

部材３８の光軸１７に沿った方向の移動値は、スピンド
ル４６を有し、ベースブロック３２に固定されたリニア
エンコーダ４７１Ｃ工つて検出さ九る。スピンドル４６
の先端は、部材３８を常に図中左側に押圧するように付
勢されている。このスピンドル４６は光軸１７を含む垂
直面内に一致して設けられる。ｔｆｃ第１対物レンズ系
１８の後方（図中右側］には、光軸１７ｔ５紙面と垂直
な方向に折り曲げるミラー４８が設けら九ている。ミラ
ー４８はベースブロック３２に固定され、部材３８が最
も右側に位置し次場合も、部材３８と干渉しないように
配置される。このミラー４８の後には不図示ではあるが
第２対物レンズ系（又はレリー系）がコラム３０に固定
されている。第１対物レンズ系１８は図にも示すように
凸の前群と凹の後群とで構成され、ミラー４８に向かう
結像光束は平行系となっている。

ところで、揺動アーム７の側部には、第２図中左側のア
ライメント光学装置に示すように、部材３Ｂの一部に固
定されたマイクロスイッチ５０を０Ｎ１０ＦＦするため
の板部材５２と、部材３８の一部に固定され九７オトカ
プラ５４に対する遮光片５６とが設けら九ているａ遮光
片５６は軸８を中心とした円孤状に形成されている。

フォトカプラ５４は揺動アーム７の退避位置全検出して
、モータ３９を最適に制御するためのものである。マイ
クロスイッチ５０は揺動アーム７のリミットを規定する
ものであり、スイッチ５０が板部材５２の押圧によって
切替えられると、モータ３９は強制的に停止される。尚
、５８Ｆ′ｉベースブロツク３２を紙面と垂直な方向に
移動させるリニアガイド、６０はレチクル１と同等の大
きさを有し、コラム３０に保持された平行平板ガラスで
ある。

第３図は部材３８を駆動するナツト４３と部材４４との
構成を模式的に示す拡大図であり、第２図の構成を上方
から見た部分ＶＪ′ｒ面図である。ナツト４３の両脇に
はベアリング４３＆が設けられ、ベアリング４３＆Ｆ−
ｆ送りネジ４２と平行な軸４３ｂｉｃ沿って直線移動可
能に設けられている。軸４３ｂは部材４４に固定されて
いる。部材４４の部分３８Ｃ側には送りネジ４２が貫通
する円板部材４４Ｂが固定され、この円板部材４４ａと
ナツト４３との間には、圧縮コイルバネ４４ｅが設けら
れている。コイルバネ４４Ｃはナツト４３に対して部材
４４を常に図中左側に付勢するように働く。部材３８の
部分３８Ｃには、円板部材４４ａと当接し得る環状部材
４４ｂが固定されている。

円板部材４４ａと環状部材４４ｂとが当接した状態のと
き、第２図中の可動部材１２に最も繰り出され、揺動ア
ーム７をアライメント位１１１’（ｆｉ定する。

さて、第２図において、レチクル１上のマーク１４の位
置に応じてペースブロック３２と部材３８との位Ｉ！ｉ
を調整する。部材３８はモータ３３とエンコーダ４７と
Ｋよって所定の位ｌｌにサーホ制御される。次にモータ
３９がツバ動され、ナツト４３が繰り出され、これに伴
なって部材４４．可動部材１２が水平に繰り出され、横
動アーム７がアライメント位置に向けて回動する。第３
図に示すよりに円板部材４４ａが環状部材４４　ｂ　ｖ
ｃ当接し友時点でモータ３９は減速され、ナツト４３が
コイルバネ４４Ｃ’に所定量だけ縮ませたとき、モータ
３９の駆動が停止される。これにエリ部材４４はコイル
バネ４４Ｃの付勢力に工っで環状部材４４ｂに常に押圧
され、位置決めは確実なものとされる。

ところで、部材３８’に最も繰り出した状態で、揺動ア
ーム７が退避位置にあるときは、露光光２は遮光されな
いように定められ、さらに揺動アーム７がアライメント
位置にあると′ｆ！は、レチクルｌの中心付近（光ＱＡ
Ｘを含み第２図紙面と垂直な面上）に位置するマークを
観察できるようになっている。この次め第１対物レンズ
系１８はノくツクフォーカスが従来のものよりもかなり
長くなるように設計畑れている。

さて、上記のような構成で揺動アーム７に位置決めの際
の設定誤差が発生し７た場合ケ、第４図により説明する
。第４図ＶＣ３いて、光軸１５は揺動アーム７が正確に
アライメント位置にるるとき、マーク１４の中心を通る
ものとする。横動アーム７の設定誤差により２つのミラ
ー５．６がｓ’、ａ’の位置、すなわち軸８を中心とし
次回転方向に関するずれ位置に設定されたものとすると
、反射面が偶数であるため、本来の光軸１５は１５′の
位置に平行移動する。丁なわち光軸１７と元軸１５′と
の直又度は常に保たれることになる。もちろん、光軸１
５が１５′に平行移動することにより、レチクルｌ上の
観察点はマーク１４の中心ρ・ら距離２１だけ離れた点
２２に変化する。

この変化は、レチクル１上のマーク１４と、投影しンズ
３の結像面に位置するワエハ４上のマーク１９（又は基
準マークＦＭ　）とをアライメントする際は、光軸１５
′がレチクル１と常に垂直になっているため、アライメ
ント誤差とはならない。また、投影レンズ３の物体（レ
チクル１）側がテレセントリック系でめる場合、光５１
１５′は投影レンズ３の主光線と一致するが、光軸１５
′が常に主光線と一致することにより、第１対物レンズ
系１８に介し几アライメント用の照明光は、レチクル１
上で常にテレセントリックな照明を行なうことになる。

％にマーク１４．１９等が十字状。

矩形状であり、−ケ所で２次元のアライメント検出が可
能な鴨合、元軸１５′が１７チクル１と垂直になること
は、２次元の各方向のアライメンＦ　ｒ差をともに最も
小きくできる点で有利である。また第５図ＶＣ示した従
来の構成では、光軸１】５と１１５′とのレチクル１０
１上でのずれの距Ｐｍ１２１は、ミラー１０５１１０５
’）からレチクル１０１１での光４ｄｌｌ　１５　（１
１５’）の長さが長くなれば大きくなるが１本実施例の
場合、第４図中の距離２１はミラー５（５’）からレチ
クル１までの光軸１５（１５’）の長さとは無関係であ
る。このためミラー５　（５’）からレチクル１までの
距離を大きくとることができ、アライメント用顕微鏡の
対物レンズ系１８とレチクル１との配置の自由度が大き
くなるといった利点がある。

尚、本実施例では、ミラー５，６．及び対物レンズ系１
８をレチクル１の上方空間に配置したが、レチクル１に
関して下方空間に、第１図の状態をレチクルを中心に折
り返したように配置してもよい。この場合、ミラー５は
ウェハ４のマーク１９からの光を一部通過するように７
・−フミラー、偏向ビームスプリッター等で構成するこ
とが望ましい。

また本実施例では、折り曲げるミラー６は光軸１７をレ
チクル１から離れる方向で、かつ垂直よりも対物レンズ
系１８側に傾けるようにしているため、ミラー５，６を
最小にしつつ、揺動アーム７の光軸１５よりも外側（レ
チクルｌの中心側）にはみ出す部分を小さくできる。さ
らに本発明は投影型露光装置以外にも、グロキシミティ
方式の路光装置においても全く同様に適用可能である。

（発明の効果） 以上本発明によれば、対物光学系の前方に配置された可
動な反射面を少なくとも２つの反射面で構成したので、
アライメント顕微鏡の光軸は常にマスク（レチクル）面
と垂直になり、アライメント祠度が向上するといった効
果が得られる。

また実施例によれば、対物光学系と光路屈曲部材とはマ
ーク位置の変更に際して一体に可動であるが、最もレチ
クル中心側ｖｃ１繰り出した場合でも対物光学系は露光
すべき回路パターン領域を遮光しないようになっている
ため、露光のたびに対物光学系が退避することがなく、
１／チクル上、又はウェハ上のマーク配置はどのような
ものでろっでもよく、このことはプロセスの多様化に伴
なっ次マーク配置の自由度を高める点でも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるアライメント光学装置を
投影型露光装置に適用し７’（場合の概略的な構成を示
す図、第２図は本実施例の具体的な構成を示す部分断面
図、第３図は光路屈曲部材の駆動機構の一部を示す部分
断面図、第４図は本実施例の作用を説明する図、第５図
は従来装置の作用を説明する図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・１ノチクル、？・・・露光光、３・・・投影レ
ンズ、４・・・ウェハ、５，８・・・ミラー、７・・・
揺動アーム、１２・・・可動部材、１４・・・マーク、
１５．１７・・・元軸、１８・・・第１対物レンズ系。 第Ｓ図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）転写用のパターンとアライメント用のマークとが
   形成されたマスクと、前記パターンの露光される感応性
   の基板とを相対的にアライメントする装置において、光
   軸が前記マスクの表面に対して垂直以外の角度で位置す
   るように配置された対物光学系と；前記光軸を前記マス
   ク表面に対してほぼ垂直になるように折り曲げるために
   、前記マスク表面と対物光学系との間に設けられた光路
   屈曲系であって、該光路屈曲系は相互に所定の角度で配
   置された少なくとも２つの反射面を有し、さらに、前記
   光路屈曲系を前記マスク表面と対物光学系との間の光路
   中に挿脱可能に保持する保持手段とを備え、前記光路屈
   曲系の少なくとも２つの反射面と前記対物光学系とを介
   して前記マークを光学的に検出することを特徴とするア
   ライメント装置。
2. （２）前記光路屈曲系は前記対物光学系からの光軸を前
   記マスクから離れる方向に屈曲させる第１反射面と、該
   第１反射面からの光軸を前記マスク表面に対してほぼ垂
   直となるように屈曲させる第２反射面とを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
3. （３）前記対物光学系と光路屈曲系とは前記マスク中の
   マークの位置に応じて一体に可動であり、前記対物光学
   系は前記マスクの中心方向に最も繰り出した際、前記マ
   スクの露光すべきパターン領域を遮光しない位置に定め
   られ、このとき前記光路屈曲系は前記マスクのパターン
   領域内に位置するマークを検出し得る位置と、前記パタ
   ーン領域を遮光しない位置との間を可動な如く前記保持
   手段によって保持されることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の装置。