KR100447456B1 - 에지산란광을 이용한 위치검출장치의 반도체기판 및 노광마스크 - Google Patents

Abstract

노광해야 할 웨이퍼의 노광면에 입사광을 산란시키는 에지를 갖는 웨이퍼마크가 형성되어 있다. 웨이퍼마크의 에지가 노광면과 평행한 평면에 수직투영한 상이 곡선형상이 되는 곡선형상부분을 갖는다. 노광마스크의 표면 위에 입사광을 산란시키는 에지를 갖는 마스크마크가 형성되어 있다. 마스크마크의 에지가 노광마스크의 표면과 평행한 평면에 수직투영한 상이 곡선형상이 되는 곡선형상부분을 갖는다. 웨이퍼와 노광마스크를 노광면이 노광마스크와 마주보도록 틈을 두어 배치한다. 웨이퍼마크 및 마스크마크의 에지중의 곡선형상부분에 조명광을 조사한다. 웨이퍼마크 및 마스크마크의 곡선형상부분으로부터의 산란광을 노광면에 대하여 경사방향에서 관측하여 웨이퍼와 노광마스크의 상대위치를 검출한다.

Description

에지산란광을 이용한 위치검출장치의 반도체기판 및 노광마스크{Semiconductor substrate and exposure mask in position detection apparatus using edge diffusion light}

본 발명은 에지 또는 정점으로부터의 산란광을 이용한 위치검출기술에 관한 것으로서, 특히 근접노광의 작업처리량의 향상에 적합한 얼라인먼트마크에 관한 것이다.

렌즈계와 화상처리계를 조합한 얼라인먼트장치를 이용하여 웨이퍼와 마스크의 위치를 맞추는 방법으로서, 수직검출법과 경사검출법이 알려져 있다. 수직검출법은 얼라인먼트마크를 마스크면에 수직인 방향에서 관측하는 방법이고, 경사검출법은 경사진 방향에서 관측하는 방법이다.

수직검출법에서 이용되는 초점을 맞추는 방법으로서, 색수차이중초점법이 알려져 있다. 색수차이중초점법은 마스크에 형성된 마스크마크와 웨이퍼에 형성된 웨이퍼마크(웨이퍼마크와 마스크마크를 총칭하여 얼라인먼트마크라고 부른다)를 다른파장의 광으로 관측하고, 렌즈계의 색수차를 이용하여 동일평면에 결상시키는 방법이다. 색수차이중초점법은 원리적으로 렌즈의 광학적인 분해능을 높게 설정할 수 있기 때문에 절대적인 위치검출정밀도를 높일 수 있다.

한편, 얼라인먼트마크를 수직방향에서 관측하기 때문에 관측을 위한 광학계가 노광영역에 진입한다. 이 상태 그대로 노광하면 광학계가 노광광을 차단하게 되기 때문에 노광시에는 광학계를 노광영역으로부터 철수시킬 필요가 있다. 철수시키기 위한 이동시간이 필요하게 되기 때문에 작업처리량이 저하된다. 또한 노광시에 얼라인먼트마크를 관측할 수 없기 때문에 위치검출이 불가능하게 된다. 이는 노광중의 얼라인먼트정밀도가 저하되는 원인이 된다.

경사검출법은 광축이 마스크면에 대하여 경사지도록 광학계를 배치하기 때문에 노광광을 차단하지 않도록 배치할 수 있다. 이 때문에 노광중에 광학계를 철수시킬 필요가 없고, 노광중에도 얼라인먼트마크를 관측할 수 있다. 따라서, 작업처리량을 저하시키지 않고, 또한 노광중에 위치가 벗어나는 것을 방지할 수 있다.

경사검출법은 웨이퍼마크와 마스크마크를 경사방향에서 관측하여 결상시키기 때문에 상의 왜곡에 의하여 위치검출의 절대정밀도가 저하된다. 또한 조명광의 광축과 관측광의 광축이 일치하지 않기 때문에 조명광의 광축을 관측광의 광축과 동축에 배치할 수 없다. 따라서, 조명광축이 이상적인 광축으로부터 어긋나기 쉽게 된다. 조명광축이 이상적인 광축으로부터 어긋나면 상이 변화되어 정확하게 위치를 검출하는 것이 곤란하게 된다.

본 발명의 목적은 작업처리량을 떨어뜨리지 않고, 노광중에도 위치검출이 가능한 고정밀도의 얼라인먼트를 할 수 있는 위치검출기술을 제공하는 것이다.

도 1a는 종래의 제안 및 본 발명의 제1 및 제2실시예에서 사용하는 위치검출장치의 개략단면도,

도 1b는 웨이퍼마크 및 마스크마크의 평면도,

도 1c는 도 1b의 웨이퍼마크 및 마스크마크의 에지로부터의 산란광에 의한 상 및 상면 내의 광강도분포를 나타낸 도면,

도 1d는 웨이퍼면 및 마스크면의 물체면 근방의 단면도,

도 2a, 도 2c 및 도 2e는 웨이퍼마크의 사시도,

도 2b 및 도 2d는 결상면에 나타난 상을 나타내는 도면,

도 3은 조명광을 산란시키는 정점을 갖는 웨이퍼마크 및 마스크마크의 평면도,

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제1실시예에 의한 웨이퍼마크를 구성하는 에지패턴의 평면도 및 사시도,

도 5는 도 4a의 웨이퍼마크의 한 개의 에지로부터의 산란광에 의한 상의 광강도분포를 나타낸 도면,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제1실시예에 의한 웨이퍼마크 및 마스크마크의 배치예를 나타낸 평면도,

도 7a는 웨이퍼마크와 마스크마크의 평면도,

도 7b는 도 7a의 일점쇄선 B2-B2선 단면도,

도 7c는 도 7a의 일점쇄선 C2-C2선 단면도,

도 8은 도 7a에 나타낸 웨이퍼마크와 마스크마크로부터의 산란광에 의한 상을 스케치한 도면,

도 9a 및 도 9b는 제2실시예를 설명하기 위한 비교예에 의한 화상신호를 나타낸 그래프,

도 10a는 본 발명의 제2실시예에 의한 위치검출장치의 결상면 근방의 단면도,

도 10b는 도 10a에 나타낸 광학필터의 정면도,

도 11은 본 발명의 제3 및 제4실시예에 의한 위치검출장치의 기본구성을 나타낸 도면,

도 12a는 웨이퍼마크와 마스크마크로부터의 산란광에 의한 상이 나타난 수광면을 모식적으로 나타낸 평면도,

도 12b는 제4실시예에서 이용하는 기준패턴을 나타낸 도면,

도 13은 제4실시예에 의하여 얻어지는 1차원합성화상신호를 나타낸 그래프,

도 14는 도 7a의 일점쇄선 C2-C2선 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10, 110 : 웨이퍼/마스크유지부 11 : 웨이퍼

12 : 마스크 13 : 웨이퍼마크

14 : 마스크마크 15, 115 : 웨이퍼유지대

16, 116 : 마스크유지대 17, 117, 118 : 구동기구

20, 120 : 광학계 21, 121A, 121B : 상검출장치

22, 122, 128 : 렌즈 23, 123, 126A : 하프미러

24 : 광원 25, 125 : 광축

26 : 광학필터 27 : 물체면

30, 130 : 제어장치 124 : 광화이버

126B : 미러 128 : 릴레이렌즈

131 : 기준패턴기억수단

본 발명의 일 관점에 의하면, 입사광을 산란시키는 에지를 갖는 위치맞춤용 웨이퍼마크가 형성된 노광면을 갖고, 상기 웨이퍼마크가 상기 입사광의 입사면에 대하여 수직인 방향을 따라 복수개 배치되며, 각 에지의 상기 노광면으로의 수직투영상의 적어도 일부가 곡선이 되는 반도체기판이 제공된다.

본 발명의 다른 관점에 의하면, 입사광을 산란시키는 에지를 갖는 위치맞춤용 마스크마크가 형성되고, 상기 마스크마크가 상기 입사광의 입사면에 대하여 수직인 방향을 따라 복수개 배치된 노광마스크로, 각 에지의 그 노광마스크 표면으로의수직투영상의 적어도 일부가 곡선이 되는 노광마스크가 제공된다.

에지가 곡선형상이기 때문에 제조프로세스의 편차의 영향에 의한 에지 형상 및 위치의 편차를 저감시킬 수 있다. 또, 입사면에 대하여 수직인 방향에 복수개의 에지가 배열되어 있기 때문에, 동시에 복수의 상을 관측할 수 있다. 이들의 상을 평행이동하여 겹침으로써 용이하게 상대위치를 검출할 수 있다.

본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 출원 발명자의 앞선 제안 (일본국 특허출원 평성7-294485(일본국 특허공개 평성9-139333), 미국특허출원 08/640,170)에 대하여 설명한다.

도 1a는 본 발명의 실시예에서 사용하는 위치검출장치의 개략단면도를 나타낸다. 위치검출장치는 웨이퍼/마스크유지부(10), 광학계(20) 및 제어장치(30)를 포함하여 구성되어 있다.

웨이퍼/마스크유지부(10)는 웨이퍼유지대(15), 마스크유지대(16) 및 구동기구(17)로 구성되어 있다. 위치맞춤을 할 때에는 웨이퍼유지대(15)의 상면에 웨이퍼(11)를 유지하고, 마스크유지대(16)의 하면에 마스크(12)를 유지한다. 웨이퍼(11)와 마스크(12)는 웨이퍼(11)의 노광면과 마스크(12)의 웨이퍼측의 면(마스크면)의 사이에 일정한 틈이 형성되도록 평행하게 배치된다. 웨이퍼(11)의 노광면에는 위치맞춤용 웨이퍼마크(13)가 형성되고, 마스크(12)의 마스크면에는 위치맞춤용 마스크마크(14)가 형성되어 있다.

웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)는 입사광을 산란시키는 에지 또는 정점을 갖는다. 이들의 마크에 광이 입사되면 에지 또는 정점에 닿은 입사광은 산란하고, 그 밖의 영역에 닿은 입사광은 정반사한다. 여기에서 정반사라는 것은 입사광 중에서 대부분의 성분이 동일한 반사방향으로 반사하는 형태의 반사를 말한다.

구동기구(17)는 웨이퍼유지대(15) 및 마스크유지대(16)를 상대적으로 이동시킬 수 있다. 도면의 좌측에서 우측으로 X축, 지면에 수직인 방향으로 표면에서부터 이면을 향하여 Y축, 노광면의 법선방향에 Z축을 취하면, 웨이퍼(11)와 마스크(12)는 상대적으로 X축방향, Y축방향, Z축방향, Z축 주위의 회전방향(θ_Z방향), X축 및 Y축 주위의 회전(초점플랩(flap))방향(θ_X및 θ_Y방향)으로 이동가능하다.

광학계(20)는 상검출장치(21), 렌즈(22), 하프미러(23) 및 광원(24)을 포함하여 구성되어 있다. 광학계(20)의 광축(25)은 XZ면에 평행하고, 또한, 노광면에 대하여 경사지도록 배치되어 있다. 또, 도 1에서는 하나의 렌즈만을 나타내고 있지만, 복수의 렌즈로 구성하여도 되고, 필요에 따라서 적합한 릴레이렌즈를 배치하여도 된다.

광원(24)으로부터 방사된 조명광은 하프미러(23)에서 반사되어 광축(25)을 따라 광선속이 되고, 렌즈(22)를 통하여 노광면에 경사입사된다. 광원(24)은 렌즈(22)의 상측의 초점에 배치되어 있고, 광원(24)에서 방사된 조명광은 렌즈(22)에서 평행하게 되어 평행광선속이 된다. 또한, 광원(24)은 조사광의 강도를 조정할 수 있다.

웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)의 에지 또는 정점에서 산란된 산란광중 렌즈(22)에 입사되는 광은 렌즈(22)에서 수속되어 상검출장치(21)의 수광면 위에 결상된다. 이와 같이 광학계(20)에 의한 조명은 텔레센트릭(Telecentric)조명이 되고, 조명광축과 관측광축은 동일광축으로 되어 있다.

상검출장치(21)는 수광면 위에 결상된 웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)에서의 산란광에 의한 상을 광전변환하여 화상신호를 얻는다. 화상신호는 제어장치(30)에 입력된다.

제어장치(30)는 상검출장치(21)에서 입력된 화상신호를 처리하여 웨이퍼마크(13)와 마스크마크(14)의 상대위치를 검출한다. 더욱이, 웨이퍼마크(13)와 마스크마크(14)가 소정의 상대위치관계가 되도록 구동기구(17)로 제어신호를 송출한다. 구동기구(17)는 이 제어신호를 기준으로 하여 웨이퍼유지대(15) 또는 마스크유지대(16)를 이동시킨다.

도 1b는 웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)의 상대위치관계를 나타낸 평면도이다. 사방이 X축 또는 Y축에 평행하게 배치된 장방형패턴을 X축방향으로 세 개 배열하여 한 개의 마크가 구성되어 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 세 개 이상의 장방형패턴을 배열하여도 된다. 웨이퍼마크(13)는 한 쌍으로 구성되어 있고, 마스크마크(14)가 한 쌍의 웨이퍼마크(13)의 사이에 배치되어 있다.

도 1a의 웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)는 도 1b의 일점쇄선 A1-A1선 단면을 나타내고 있다. 웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)에 입사된 조명광은 도 1b의 각 장방형패턴의 광축을 향하여 돌출한 에지에서 산란된다. 에지 이외의 영역에조사된 광은 정반사하고, 렌즈(22)에는 입사하지 않는다. 따라서, 상검출장치(21)에서 에지로부터의 산란광만을 검출할 수 있다.

다음에 에지산란광에 의한 상의 성질에 대하여 설명한다.

인코히어런트인 단색광에 의한 상의 광강도분포 I(x, y)는

′

로 나타낸다. 좌표(x,y)는 관측물체 표면의 위치좌표, O(x,y)는 관측물체 표면으로부터의 반사광의 강도분포, PSF(x,y)는 렌즈의 점상강도분포(Point spread function), 적분은 관측물체의 표면전체영역의 적분을 나타낸다.

도 1b의 각 장방형패턴의 한 개의 에지에 주목하면 광을 반사하는 미소한 점이 y축에 평행하게 배열한 것이라고 생각할 수 있다. 이 미소한 일 점으로부터의 반사광강도분포를 디락(dirac)의 델타함수(δ)라고 가정한다. 실제로 미소한 일 점으로부터의 산란광의 강도분포는 델타함수에 근사할 수 있다고 할 것이다. 렌즈의 이소프라나티즘(Isoplanatism)이 성립하는 범위에서 에지가 y축방향으로 연장되어 있다고 하면 O(x,y)=δ(x)로 놓을 수 있다.

상기 수학식 1은

로 변형할 수 있다. 이 I(x)는 렌즈의 선상강도분포(line spread function)이고,

이라고 쓸 수 있다. 여기에서 LSF(x)는 렌즈의 선상강도분포를 나타낸다.

조명광이 연속스팩트라(Continuous Spectra)를 갖는 경우에는

로 나타낸다. 여기에서 λ는 광의 파장, LSFλ는 파장λ의 선상강도분포, Δxλ는 파장λ의 광에 대한 렌즈의 색수차에 의한 선상의 가로로 어긋난 양을, 적분은 전체파장영역의 적분을 나타낸다.

상기 수학식 4에서 에지로부터의 산란광을 관측하는 것은 렌즈의 선상강도분포를 관측하고 있는 것과 등가가 됨을 알 수있다. 따라서, 에지로부터의 산란광을 관측함으로써, 관측물체로부터의 반사광의 면내 강도분포에 좌우되지 않고 항상 안정된 상을 얻을 수 있다.

도 1c의 좌측은 도 1a의 상검출장치(21)의 수광면에 결상된 산란광에 의한 상의 형상을 나타낸다. 관측광축을 포함하는 입사면과 수광면의 교선방향(노광면의 X축방향에 대응하는 방향)을 x축, 수광면 내의 x축에 직교하는 방향(노광면의 Y축방향에 대응하는 방향)을 y축이라 하면 한 개의 에지에 의한 상은 y축에 평행한 직선형상이 된다. 따라서, 각 마크의 상은 y축에 평행한 직선형상의 상이 x축방향으로 세 개 배열된 형상이 된다.

웨이퍼마크(13)의 에지산란광에 의한 한 쌍의 상(13A)의 사이에 마스크마크(14)의 에지산란광에 의한 상(14A)이 나타나고 있다. 또한, 관측광축이 노광면에 대하여 경사져 있기 때문에 마스크마크의 상(14A)과 웨이퍼마크의 상(13A)은 x축방향에 대하여 다른 위치에 검출된다.

도 1c의 우측은 웨이퍼마크의 상(13A) 및 마스크마크의 상(14A)의 y축방향의 광강도분포를 나타낸다. 한쪽의 웨이퍼마크의 상(13A)과 마스크마크의 상(14A)의 y축방향의 거리를 y1, 다른 쪽의 웨이퍼마크의 상(13A)과 마스크마크의 상(14A)과의 y축방향의 거리를 y2라고 한다. y1과 y2를 측정함으로써 도 1b의 웨이퍼마크(13)와 마스크마크(14)의 y축방향, 즉 조명광의 입사면에 대하여 수직인 방향의 상대위치관계를 알 수 있다.

예컨대, 마스크마크가 Y축방향에 대하여 한 쌍의 웨이퍼마크의 중앙에 위치하도록 위치를 결정하고 싶은 경우에는 y1과 y2가 똑같이 되도록 웨이퍼 또는 마스크중의 한쪽을 다른 쪽에 대하여 상대적으로 이동시키면 된다. 이와 같이 하여, 도 1b의 Y축방향에 대하여 위치를 맞출 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 위치맞춤용 마크와 광학계를 3조 배치함으로써 X축, Y축 및 θ_z방향에 대하여 위치를 맞출 수 있다. 또한, 도 1a에서는 조명광축과 관측광축이 동축인 경우를 설명하였는데, 반드시 동축일 필요는 없다. 정반사광이 관측광학계의 대물렌즈에 입사되지 않고, 산란광만이 입사되는 조건이면 된다.

이어서, 노광면과 마스크면의 간격을 측정하는 방법에 대하여 설명한다. 광학계(20)의 물체공간에서 광축(25)에 수직인 한 개의 평면 위에 어떤 복수의 점에서의 산란광이 상검출장치(21)의 수광면에 동시에 결상된다. 수광면에 결상되고 있는물체공간 내의 점이 집합한 평면을 「물체면」이라고 부른다.

웨이퍼마크 및 마스크마크의 각 에지 또는 정점중에 물체면 위에 있는 것으로부터의 산란광은 수광면 위에 모이지만, 물체면 위에 없는 것으로부터의 산란광은 모이지 않고, 물체면에서 멀어짐에 따라 핀트가 흐릿해진다. 따라서, 각 마크의에지 또는 정점중 물체면에 가장 가까운 위치에 있는 것으로부터의 산란광에 의한 상이 가장 선명하게 되고, 그 에지로부터 X축방향에서 멀어짐에 따라서 흐린 상이 얻어진다.

도 1c에서 X₁은 웨이퍼마크의 상(13A)과 마스크마크의 상(14A)의 각각 가장 핀트가 맞는 점의 x축방향의 거리를 나타낸다. 즉, X₁은 웨이퍼마크의 합초점과 마스크마크의 합초점을 입사면에 수직투영한 점의 간격과 거의 똑같다.

도 1d는 노광면(11) 및 마스크면(12)의 물체면 근방의 입사면의 단면도를 나타낸다. Q₂는 웨이퍼면(11)과 물체면의 교선 위의 점, Q₁은 마스크면(12)과 물체면의 교선 위의 점이다. 선분Q₁Q₂의 길이가 도 1c의 X₁에 대응한다.

선분Q₁Q₂의 길이를 L(Q₁Q₂)로 나타내면 노광면(11)과 마스크면(12)의 간격(δ)은

로 나타난다. 여기에서 α는 노광면(11)의 법선방향과 광축(25)이 이루는 각이다. 따라서, 도 1c의 X₁을 측정하여 선분Q₁Q₂의 길이를 구함으로써 간격(δ)을 알 수 있다. 간격(δ)을 보다 정확하게 알기 위해서는 X₁을 정확히 측정하는 것이 바람직하다. 이 때문에 렌즈의 초점심도가 얕은 것이 좋다. 또한, 도 1b에서 장방형패턴을 X축방향으로 다수개 배열하는 것이 바람직하다.

제어장치(30)에 미리 X₁의 목표치를 기억시켜 놓고, 측정된 X₁이 목표치에 접근하도록 구동기구(17)를 제어함으로써 노광면(11)과 마스크면(12)의 간격을 원하는 간격으로 설정할 수 있다.

도 2a는 웨이퍼마크의 한 개의 장방형패턴 사시도의 일례를 나타낸다. 도면의 XZ평면 내의 경사광축을 따라 조명광을 경사입사시키고, Y축을 따라 연장되는 에지로부터의 산란광을 측정한다. 이 경우, 산란광에 의한 상은 전술한 수학식 4에서 나타낸 강도분포가 되기 때문에 도 2b에 나타낸 바와 같이, 수광면 위의 y축을 따라 연장되는 한쪽방향으로 긴 상이 얻어진다. 이 상은 렌즈의 선상강도분포에 해당한다.

도 2c는 도 2a에 나타낸 장방형패턴의 Y축방향의 길이를 짧게 한 패턴을 나타낸다. 에지의 길이가 렌즈의 해상도보다도 짧게 되면 수학식 1의 반사광의 강도분포O(x,y)는 δ(x,y)로 놓을 수 있을 것이다. 따라서, 수학식 1은

으로 변형할 수 있다. 여기에서 PSF(x,y)는 렌즈의 점상강도분포를 나타낸다.

조명광이 연속스팩트라를 갖는 경우에는

로 나타낼 수 있다. 여기에서 λ는 광의 파장, PSFλ는 파장λ의 점상강도분포, Δxλ는 파장λ의 광에 대한 렌즈의 색수차에 의한 점상의 x방향의 가로로 어긋난 양, Δyλ는 파장λ의 광에 대한 렌즈의 색수차에 의한 점상의 y축방향의 가로로 어긋난 양, 적분은 전체파장영역의 적분을 나타낸다.

이와 같이, 에지의 길이를 렌즈의 분해기능 이하로 함으로써, 도 2d에 나타낸 바와 같이 렌즈의 점상강도분포에 근사되는 점상을 얻을 수 있다.

도 2e는 세 개의 평면이 교차한 정점근방에 의하여 조명광을 산란시키는 장방형패턴의 사시도를 나타낸다. 도 2e에 나타낸 바와 같이, 정점근방에서의 산란광에 의한 상도, 수학식 6 및 수학식 7에 나타낸 바와 같은 점상강도분포에 근사하게된다고 생각된다. 본 명세서에서 조명광을 산란시키는 에지 또는 정점을 갖는 패턴의 일 단위를 에지패턴이라고 부른다.

도 3은 조명광을 산란시키는 정점을 갖는 마스크마크 및 웨이퍼마크의 일 배치예를 나타낸다. 웨이퍼마크(52A)와 웨이퍼마크(52B)의 사이에 마스크마크(62)가 배치되어 있다. 각 얼라인먼트마크(52A)(52B)(62)는 정방형의 평면형상을 갖는 에지패턴을 X축방향으로 핏치(P)로 3행, Y축방향으로 2열 배열하여 구성되어 있다. 정방형상의 각 에지패턴의 한 개의 정점이 X축의 정(正)을 향하고, 즉 관측광학계방향을 향하도록 배치되어 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 조명광을 산란시키는 정점을 갖는 에지패턴을 배열하고, 정점으로부터의 산란광을 관측하여도 도 1a~도 1c에서 설명한 방법과 동일한 방법으로 웨이퍼와 마스크의 위치맞춤을 할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제1실시예에 의한 위치검출방법에 대하여 설명한다. 실시예에서 이용하는 경사방향검출광학계는 도 1a에 나타낸 것과 똑같다. 도 1b 및 도 2a에서는 직선형상의 에지로부터의 산란광을 관측하여 위치맞춤을 하는 경우를 설명하고, 도 2e 및 도 3에서는 정점으로부터의 산란광을 관측하여 위치맞춤을 하는 경우를 설명하였다. 본 실시예에서는 노광면 또는 마스크면으로의 수직투영상이 직선이 되는 에지로부터의 산란광을 관측한다.

도 4a는 곡선형상의 에지를 갖는 웨이퍼마크의 평면도를 나타내고, 도 4b는 그 사시도를 나타낸다. 이 웨이퍼마크는 실리콘기판 표면에 형성된 SiC층의 위에 Ta₄B막을 패터닝함으로써 형성되고, 길이 약 3㎛, 폭 약 1㎛의 메사구조를 갖는 세개의 에지패턴으로 구성된다. 각 에지패턴의 양 끝은 곡률반경 약 0.5㎛의 반원주형상이 되었다. 또한 백에칭에 의하여 창이 되는 영역의 실리콘기판을 제거하여 SiC층을 남김으로써 X선마스크가 형성된다.

도 4a의 웨이퍼마크로부터의 에지산란광을 관측하는 경우에는 에지패턴의 긴 방향, 그에 직교하는 면내방향 및 기판법선방향이 각각 도 1a의 X축, Y축 및 Z축이 되도록 실리콘기판을 도 1a의 웨이퍼유지대(15)의 위에 놓는다. 즉, 곡률반경 0.5㎛의 곡선형상 에지로부터의 산란광을 관측하게 된다.

도 5는 도 4a 및 도 4b에 나타내는 웨이퍼마크중 한 개의 곡선형상 에지로부터의 산란광을 도 1a에 나타낸 경사검출광학계에서 관측하였을 때의 광강도분포의 측정결과를 나타낸다. 도 5의 세로방향이 광강도를 나타내고, 가로방향이 실리콘기판 표면의 Y축에 대응한다. 즉, 가로방향이 도 1c의 y축에 해당하고, 길이방향이 X축에 해당한다. 또한, 관측광학계 렌즈의 확대배율은 100배, 대물렌즈의 개구수(numerical aperture, NA)는 0.35, 조명광은 백색광이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 곡선형상 에지로부터의 산란광에 의한 상은 대부분 점형상이 되고, 그 광강도는 거의 일점에서 최대치를 얻는다. 즉, 정점을 갖는 웨이퍼마크의 정점으로부터의 산란광과 거의 동일한 상이 얻어지는 것을 알 수 있다.

도 2e에 나타낸 바와 같은 정점의 위치는 웨이퍼마크 형성시의 제조프로세스의 편차의 영향을 받기 쉽다. 이것에 대하여 원주형상 에지의 위치는 제조프로세스의 편차의 영향을 받기 어렵다. 이 때문에 안정하여 고정밀도인 위치맞춤을 하는 것이 가능하게 된다. 또한 도 4a 및 도 4b에서는 웨이퍼마크의 에지를 반원주형상으로 한 경우를 나타내었는데, 대부분 점형상의 상을 얻을 수 있는 형상이라면 그 밖의 매끄러운 곡선형상으로 하여도 된다. 또한, 이와 같은 형상의 웨이퍼마크를 형성하기 위해서는 꼭 웨이퍼마크 형성을 위한 웨이퍼마크패턴 바깥둘레를 매끄럽게 할 필요는 없다. 포토마스크의 바깥둘레를 직사각형 형상으로 하고, 노광시의 간섭에 의하여 레지스트패턴의 바깥둘레를 매끄럽게 하여도 되며, 에칭을 할 때의 사이드에치에 의하여 매끄러운 에지를 형성하여도 된다.

도 4a 및 도 4b에 나타낸 웨이퍼마크 에지의 곡률반경은 0.5㎛ 정도였다. 이는 렌즈의 해상도와 거의 동일하다. 에지의 곡률반경을 렌즈의 해상도와 거의 같은 정도 또는 해상도 이하로 하면 에지로부터의 산란광에 의하여 대부분 점형상의 상이 얻어진다. 따라서, 고정밀도로 위치맞춤을 하기 위해서는 에지의 곡률반경을 렌즈의 해상도와 같은 정도 또는 그 이하로 하는 것이 바람직하다. 이는 렌즈의 해상도보다도 큰 곡률반경을 갖는 에지를 사용할 수 없다는 의미는 아니다. 원하는 위치맞춤 정밀도를 얻기 위하여 어느 정도의 곡률반경이 바람직한지 다양한 형상의 에지를 이용하여 실험적으로 확인하는 것이 바람직하다.

도 6a 및 도 6b는 마스크마크 및 웨이퍼마크의 일 배치예를 나타낸다. 더불어, 두 개의 웨이퍼마크(40A)와 웨이퍼마크(40B) 및 웨이퍼마크(42A)와 웨이퍼마크(42B)가 Y축방향으로 배열되어 있다. 마스크마크(41) 및 마스크마크(43)는 각각 두 개의 웨이퍼마크(40A)와 웨이퍼마크(40B) 및 웨이퍼마크(42A)와 웨이퍼마크(42B)의 사이에 배치된다.

도 6a에 나타낸 각 얼라인먼트마크(40A)(40B) 및 얼라인먼트마크(41)는 X축방향으로 긴 긴원형상의 평면형상을 갖는 에지패턴을 X축방향으로 2행, Y축방향으로 2열 배열하여 구성되어 있다.

도 6b에 나타낸 각 얼라인먼트마크(42A)(42B) 및 얼라인먼트마크(43)는 원형상의 평면형상을 갖는 에지패턴을 X축방향으로 3행, Y축방향으로 2열 배열하여 구성되어 있다.

도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이, 매끄러운 에지를 갖는 에지패턴을 배열하여 에지로부터의 산란광을 관측하여도 도1a~도 1c에서 설명한 방법과 동일한 방법으로 웨이퍼와 마스크의 위치맞춤을 할 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서 각 얼라인먼트마크는 위치맞춤이 완료된 상태에서는 한 개의 얼라인먼트마크를 평행이동하여 다른 얼라인먼트마크에 포갤 수 있도록 하는 구성이 되고 있다. 이 때문에 얼라인먼트마크 간의 Y축방향의 거리를 용이하게 측정할 수 있다. 또한, 에지패턴을 X축방향으로 소정의 핏치로 복수 배열함으로써 어느 하나의 에지에 핀트를 맞출 수 있어 안정하게 위치검출을 할 수 있다. 또한, 도 2d에서 설명한 바와 같이, 웨이퍼와 마스크의 간격을 구할 수 있다.

도 7a는 웨이퍼마크(13) 및 마스크마크(14)의 상대위치관계의 다른 일례를 나타낸 평면도이다. 장방형패턴을 Y축방향으로 세 개, X축방향으로 열네 개, 행렬형상으로 배열하여 각 웨이퍼마크(13A) 및 웨이퍼마크(13B)가 형성되어 있다. 동일한장방형패턴을 Y축방향으로 세 개, X축방향으로 다섯 개, 행렬형상으로 배치하여 한 개의 마스크마크(14)가 형성되어 있다. 위치맞춤이 완료된 상태에서는 마스크마크(14)는 Y축방향에 대하여 웨이퍼마크(13A)와 웨이퍼마크(13B)의 거의 중앙에 배치된다.

웨이퍼마크(13A)(13B) 및 마스크마크(14)의 각 장방형패턴의 긴 변은 X축과 평행하게 되고, 짧은 변은 Y축과 평행하게 되어 있다. 각 장방형패턴의 긴 변의 길이는 2㎛, 짧은 변의 길이는 1㎛이고, 각 마크 내에서의 장방형패턴의 X축 및 Y축방향의 배열핏치는 4㎛이다. 웨이퍼마크(13A)와 웨이퍼마크(13B)의 중심간 거리는 56㎛이다.

도 7b는 도 7a의 일점쇄선 B2-B2선 단면도를 나타낸다. 웨이퍼마크(13A) 및 웨이퍼마크(13B)는 예컨대 노광면 위에 형성한 SiN막, 폴리실리콘막 등을 패터닝하여 형성된다. 마스크마크(14)는 예컨대 SiC 등으로 구성되는 얇은 막의 마스크면 위에 형성한 Ta₄B막을 패터닝하여 형성된다.

도 7c는 도 7a의 일점쇄선 C2-C2선 단면도를 나타낸다. 광축(25)을 따라 웨이퍼마크(13A), 웨이퍼마크(13B) 및 마스크마크(14)에 입사된 조명광은 도 7c의 각 장방형패턴의 짧은 변측의 에지에서 산란된다. 에지 이외의 영역에 조사된 광은정반사되고, 도 1a의 렌즈(22)에는 입사되지 않는다. 따라서, 상검출장치(21)에서 에지로부터의 산란광만을 검출할 수 있다.

도 1a의 광학계(20)의 물체면(27) 위에 있는 점으로부터의 산란광이 상검출장치(21)의 수광면 위에 동시에 결상된다.

도 7c에 있어서, 웨이퍼마크(13A), 웨이퍼마크(13B) 및 마스크마크(14)의 각 에지중 물체면(27) 위에 있는 에지로부터의 산란광은 수광면 위에 모이지만, 물체면 위에 있지 않은 에지로부터의 산란광은 모이지 않고, 물체면으로부터 멀어짐에 따라 핀트가 흐릿해진다. 따라서, 각 마크의 에지중 물체면에 가장 가까운 위치에 있는 에지로부터의 산란광에 의한 상이 가장 선명하게 되고, 물체면에서 떨어진 위치에 있는 에지로부터의 산란광에 의한 상은 흐릿해진다.

도 8은 에지로부터의 산란광에 의한 수광면 위의 상의 스케치이다. 도 8의 u축이 도 7c의 물체면(27)과 XZ면과의 교선방향에 해당되고, v축이 도 7c의 Y축에해당된다. 웨이퍼마크(13A) 및 웨이퍼마크(13B)로부터의 산란광에 의한 상(40A) 및상(40B)이 v축방향으로 떨어져 나타나고, 그 사이에 마스크마크(14)로부터의 산란광에 의한 상(41)이 나타난다.

각 장방형패턴 전방의 에지와 후방의 에지에 의한 산란광이 관측되기 때문에 한 개의 장방형패턴에 대하여 두 개의 점형상의 상이 나타난다. 각 상에서 도 7c의 물체면(27) 근방의 에지로부터의 산란광에 의한 상이 확실히 나타나고, 그로부터 멀어짐에 따라 흐릿한 상이 된다. 또한, 도 7c에 나타낸 바와 같이, 관측광축(25)이 노광면에 대하여 기울어져 있기 때문에 웨이퍼마스크로부터의 산란광에 의한 상(40A) 및 상(40B)의 가장 핀트가 맞는 위치와 마스크마크로부터의 산란광에 의한 상(41)의 가장 핀트가 맞는 위치는 u축방향에 대하여 일치하지 않는다.

마스크마크로부터의 산란광에 의한 상(41)이 v축방향에 대하여 웨이퍼마스크로부터의 산란광에 의한 상(40A)과 상(40B)의 중앙에 위치하도록 도 1a의 웨이퍼유지대(15)와 마스크유지대(16)를 이동시킴으로써 Y축방향에 대하여 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 위치맞춤을 할 수 있다.

도 1a에 나타낸 위치검출장치에서는 웨이퍼마크 및 마스크마크를 경사방향에서 관측하기 때문에 광학계(20)를 노광범위 내에 배치할 필요가 없다. 이 때문에 노광시에 광학계(20)를 노광범위 밖으로 철수시킬 필요가 없다. 또한, 위치맞춤의 완료 후에 웨이퍼를 노광할 경우, 노광중에도 항상 위치검출이 가능하다. 더욱이 조명광축과 관찰광축을 동축으로 하고 있기 때문에 축어긋남이 없이 항상 안정된 상을 얻을 수 있다.

다음에 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다.

도 9a 및 도 9b는 도 1a의 상검출장치(21)에 의하여 얻어진 화상신호의 일례를 나타낸다. 가로축은 도 8의 v축에 대응하고, 세로축은 광강도를 나타낸다. 또한, 이 화상신호는 도 8에서 v축방향으로 주사하면서 일 주사마다 u축방향으로 일정거리를 이동하여 얻어진 화상신호 가운데 상(40A) 및 상(40B)의 가장 핀트가 잘 맞는 위치의 주사와 상(41)의 가장 핀트가 잘 맞는 위치의 주사에 의하여 얻어진 화상신호를 합성한 것이다.

도 9a는 웨이퍼마크가 폴리실리콘으로 형성되어 있는 경우, 도 9b는 SiN으로 형성되어 있는 경우를 나타낸다. 또한, 마스크마크는 둘 다 Ta₄B로 형성되어 있다.

도 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같이, 거의 중앙에 마스크마크에 대응하는 세 개의 피크가 나타나고, 그 양측에 웨이퍼마크에 대응하는 세 개의 피크가 나타난다.

이하, 도 9a 또는 도 9b에 나타낸 파형에서 마스크마크와 웨이퍼마크의 상대위치를 검출하는 방법의 일례를 간단히 설명한다. 우선, 마스크마크에 대응하는 피크파형을 v축방향으로 이동시키면서 두 개의 웨이퍼마크의 각각 대응하는 피크파형과의 상관관계를 계산한다. 최대의 상관관계를 부여하는 이동량이 웨이퍼마크와 마스크마크의 중심간 거리에 대응한다.

마스크마크에 대응하는 피크파형과 그 양측의 웨이퍼마크에 각각 대응하는 피크파형의 간격이 같아지도록 웨이퍼와 마스크를 이동함으로써 도 1a의 Y축방향에대하여 위치를 맞출 수 있다.

상관계수의 계산정밀도를 높이기 위해서는 수광면에 배치된 광전변환소자를 그 입출력특성이 선형에 가까운 영역에서 사용하고, 또한 S/N비가 높은 화상신호를 얻는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 마스크마크와 웨이퍼마크에 대응하는 피크의 높이를 같게 해놓는 것이 바람직하다. 그렇지만, 웨이퍼마크로부터의 산란광과 마스크마크로부터의 산란광은 도 7c의 박막의 재질, 웨이퍼마크와 마스크마크의 재질이 서로 다름 등에 의하여 통상 다른 강도를 갖는다. 이 때문에 도 9a및 도 9b에 나타낸 바와 같이, 마스크마크에 대응하는 피크의 높이와 웨이퍼마크에 대응하는 피크의 높이는 다르다.

본 발명의 제2실시예에 의한 방법을 이용함으로써 마스크마크에 대응하는 피크의 높이와 웨이퍼마크에 대응하는 피크의 높이의 차를 감소시킬 수 있다. 도 10을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 의한 위치검출방법 및 장치에 대하여 설명한다.

도 10a는 도 1의 위치검출장치의 수광면(21a) 근방의 단면도를 나타낸다. 광축(25)에 수직인 수광면(21a)의 직전에 광학필터(26)가 배치되어 있다. 수광면(21a)중 영역(21b)에 웨이퍼마크(13)로부터의 산란광에 의한 상이 형성되고, 영역(21c)에 마스크마크(14)로부터의 산란광에 의한 상이 형성된다. 또한, 광학계에 따라서는 결상위치가 역으로 되는 경우도 있다.

광학필터(26)의 투과율은 영역(21b)(21c)에 대응하는 각각의 영역(26b)(26c)에서 서로 다르다. 도 10b는 광학필터(26)의 정면도를 나타낸다. 원형 유리판의 상반부 및 하반부에 각각 상호 투과율이 다른 영역(26b) 및 영역(26c)이 나뉘어져 있다. 렌즈(22)를 투과한 웨이퍼마크 및 마스크마크로부터의 산란광의 강도가 다른 경우에도 광학필터(26)의 두 영역의 투과율을 적당히 선택하여 놓음으로써 수광면(21a) 상에 결상되는 두 개의 산란광의 강도를 비슷하게 할 수 있다.

수광면(21a)을 조사하는 웨이퍼마크 및 마스크마크로부터의 산란광의 강도가 비슷하면 도 9a 및 도 9b에 나타낸 화상신호의 마스크마크 및 웨이퍼마크에 대응하는 피크의 높이가 보다 비슷해진다. 이 때문에 보다 고정밀도로 위치검출을 할 수있다. 또한, 광학필터(26)로서 웨이퍼마크 및 마스크마크로부터의 산란광의 광로길이가 서로 다르지 않도록 하는 성질을 갖는 필터를 이용하는 것이 바람직하다.

경사방향검출광학계에서는 광의 회절현상을 이용하지 않기 때문에, 광의 간섭의 영향을 방지하기 위하여 백색광을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 광학필터(26)로서 투과율의 파장의존성이 적은 뉴트럴덴시티필터(Neutral Density Filter)를 사용하는 것이 좋다. 또한, 한 장의 필터 내를 복수의 영역으로 분할하고, 각 영역마다 투과율을 용이하게 바꿀 수 있는 점에서도 뉴트럴덴시티필터가 편리하다.

또, 광학필터(26)의 광축 위의 위치는 웨이퍼마크로부터의 산란광의 광선속과 마스크마크로부터의 산란광의 광선속이 완전히 분리된 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 따라서, 수광면(21a)의 바로 앞 이외에 두 개의 산란광의 광선속이 분리되는 위치가 있다면 그 위치에 광학필터를 배치하여도 된다.

도 10a 및 도 10b에서는 마스크마크로부터의 산란광과 웨이퍼마크로부터의산란광을 투과율이 다른 광학필터를 통하여 결상시키는 경우를 나타내었는데, 한쪽의 산란광만을 필터에 의하여 감쇄시키고, 다른 한쪽의 산란광을 그대로 결상시켜도 된다. 이 경우에는 도 10a에서 영역(21b)과 영역(21c)중에서 한쪽의 영역에 대응하는 위치에만 필터를 배치하면 된다.

상기 제2실시예에서는 1차원화상신호를 이용하여 상관계수를 계산함으로써 위치검출을 하는 경우를 설명하였다.

도 8에 나타낸 2차원의 화상신호를 u축방향 및 v축방향으로 평행이동하고, 마스크마크의 상과 웨이퍼마크의 상의 상사성(相似性)패턴매칭을 함으로써 웨이퍼와 마스크의 상대위치를 구하여도 된다. 2차원화상의 패턴매칭을 함으로써 u축방향과 v축방향에 대한 상 간의 거리를 구할 수 있다.

다음에, 웨이퍼와 마스크의 간격을 측정하는 방법에 대하여 설명한다. 도 8에서 웨이퍼마크로부터의 산란광에 의한 상(40A)(40B) 내의 u축방향에 대하여 가장 핀트가 잘 맞는 위치(u_o)가 도 7c의 물체면(27)과 노광면의 교선(p_o)에 해당된다.또한, 도 8에서 마스크마크로부터의 산란광에 의한 상(41)중 u축방향에 대하여 가장 핀트가 잘 맞는 위치(u₁)가 도 7c의 물체면(27)과 마스크면과의 교선(p₁)에 해당된다. 예컨대, 도 8에 나타낸 2차원화상의 패턴매칭에 의하여 위치(u₀)와 위치(u₁)간의 거리를 구할 수 있다.

선분P₀P₁의 길이를 L(P₀P₁)로 나타내면 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 간격(δ)은

로 나타난다. 여기에서 α는 노광면의 법선방향과 광축(25)이 이루는 각이다. 따라서, 도 8의 u축 위의 위치(u₀)(u₁)간의 거리 L(u₀u₁)를 측정하여 선분P₀P₁의 길이를 구함으로써 간격(δ)을 알 수 있다. 간격(δ)을 보다 정확히 알기 위해서는, u축 위의 위치(u₀)(u₁)간의 거리를 정확히 측정하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 렌즈의 초점심도가 얕은 것이 좋다.

또한, 관측된 상끼리의 패턴매칭을 행하는 것이 아니라 기준이 되는 상과의 패턴매칭을 하여도 된다. 이 경우, 원하는 상대위치관계를 채우도록 웨이퍼와 마스크를 배치한 상태의 기준화상신호를 미리 기억하여 놓는다. 관측된 웨이퍼마크와 미리 기억되어 있는 웨이퍼마크의 상끼리의 상사성매칭을 행함으로써 웨이퍼의 기준위치로부터의 어긋난 양을 구한다. 웨이퍼마크의 경우와 마찬가지로 마스크의 기준위치로부터의 어긋난 양을 구한다. 이 어긋난 양으로부터 웨이퍼와 마스크의 상대위치관계를 알 수 있다.

다음에 본 발명의 제3실시예에 대하여 설명한다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 의한 위치검출장치의 개략단면도를 나타낸다. 실시예에 의한 위치검출장치는 웨이퍼/마스크유지부(110), 광학계(120) 및 제어장치(130)를 포함하여 구성되어 있다.

웨이퍼/마스크유지부(110)는 웨이퍼유지대(115), 마스크유지대(116), 구동기구(117) 및 구동기구(118)를 포함하여 구성되어 있다. 위치맞춤을 할 때에는 웨이퍼유지대(115)의 상면에 웨이퍼(11)를 유지하고, 마스크유지대(116)의 하면에 마스크(12)를 유지한다. 웨이퍼(11)와 마스크(12)는 웨이퍼(11)의 노광면과 마스크(12)의 웨이퍼측면(마스크면)의 사이에 일정한 틈이 형성되도록 거의 평행하게 배치된다. 웨이퍼(11)의 노광면에는 위치맞춤용 웨이퍼마크가 형성되고, 마스크(12)의 마스크면에는 위치맞춤용 마스크마크가 형성되어 있다.

구동기구(117)는 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 노광면 내에 대한 상대위치가 변화하도록 웨이퍼유지대(115) 또는 마스크유지대(116)를 이동시킬 수 있다. 구동기구(118)는 웨이퍼(11)의 노광면과 마스크(12)의 마스크면의 간격이 변화하도록 웨이퍼유지대(115)를 이동시킬 수 있다. 도면의 좌측에서부터 우측으로 X축, 지면에 수직인 방향으로 표면에서 이면을 향하여 Y축, 노광면의 법선방향에 Z축을 취하면 구동기구(117)는 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 X축방향, Y축방향, Z축 주위의 회전방향(θ_Z방향)에 대한 상대위치를 조정하고, 구동기구(118)는 Z방향, X축 및 Y축 주위의 회전(초점플랩)방향(θx 및 θ_Y방향)의 상대위치를 조정한다.

광학계(120)는 상검출장치(121A)(121B), 렌즈(122)(128), 하프(123)(126A), 광화이버(124), 미러(126B)를 포함하여 구성된다. 광학계(120)의 광축(125)은 XZ면에 평행하고, 또한 노광면에 대하여 경사지도록 배치되어 있다.

광화이버(124)로부터 방사된 조명광은 하프미러(123)에서 반사되어 광축(125)을 따라서 광선속이 되고, 렌즈(122)를 통하여 노광면에 경사입사된다.렌즈(122)를 투과한 조명광은 평행광선속이 된다.

웨이퍼(11) 및 마스크(12)에 설치된 웨이퍼마크 및 마스크마크가 에지 또는 정점 등의 산란장소를 갖는 경우에는 이들의 산란장소에서 조명광이 산란된다. 산란광중 렌즈(122)에 입사되는 광은 렌즈(122)로 수속되고, 그 일부가 하프미러(123)와 하프미러(126A)를 투과하여 상검출장치(121A)의 수광면(129A) 위에 결상된다. 수광면(129A) 위로의 결상배율은 예컨대 20배이다. 산란광중 하프미러(126A)에서 반사된 광은 미러(126B)에서 반사되고, 릴레이렌즈(128)로 수속되어 상검출장치(121B)의 수광면(129B) 위에 결상된다. 수광면(129B) 위로의 결상배율은 예컨대 80~100배이다. 이와 같이, 상호 배율이 다른 두 개의 관측광학계가 배치되어 있다.

상검출장치(121A) 및 상검출장치(121B)는 각각 수광면(129A) 및 수광면(129B) 위에 결상된 웨이퍼(11) 및 마스크(12)로부터의 산란광에 의한 상을 광전변환하여, 화상신호를 얻는다. 이들의 화상신호는 제어장치(130)에 입력된다.

제어장치(130)는 기준패턴기억수단(131)에 기억되어 있는 기준패턴을 참조하여, 상검출장치(121A) 및 상검출장치(121B)로부터 입사된 화상신호를 처리하여 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 Y축방향에 대한 상대위치를 검출한다.

XZ면에 평행한 경사광축을 갖는 두 개의 광학계와, YZ면에 평행한 경사광축을 갖는 한 개의 광학계를 배치함으로써 X축방향, Y축방향 및 θ_Z방향에 대한 상대위치를 검출할 수 있다.

웨이퍼(11)와 마스크(12)가 소정의 상대위치관계가 되도록 구동기구(117) 및 구동기구(118)에 대하여 제어신호를 송출한다. 구동기구(117)는 이 제어신호를 기준으로 하여 웨이퍼유지대(115)를 XY면 내에서 평행이동시키고 Z축 주위로 회전시킨다. 구동기구(118)는 이 제어신호를 기준으로 하여 웨이퍼유지대(115)를 Z축방향으로 평행이동시키고, X축과 Y축의 주위로 미소하게 회전시킨다.

도 11에 나타낸 위치검출장치를 이용하여 도 7a ~ 도 7c에 나타낸 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 위치맞춤을 하는 경우를 생각할 수 있다.

도 11의 광학계(120)의 물체면 위의 점으로부터의 산란광이 상검출장치(121A) 및 상검출장치(121B)의 수광면(129A) 및 수광면(129B) 위에 동시에 결상된다.

광학계(120)의 대물렌즈의 개구수를 NA, 조명광의 파장을 λ로 하면 광학계(120)의 초점심도(d)는

로 나타난다. 물체면(27)을 중심으로 하여, 초점심도(d) 내에 위치하는 에지로부터 산란된 산란광은 상검출장치(121A) 및 상검출장치(121B)의 수광면(129A) 및 수광면(129B) 위에 결상된다. 도 7a에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼마크(13A)(13B) 및마스크마크(14)의 에지가 X축방향으로 다수개 배치되어 있기 때문에, 어느 한 곳의 산란장소로부터의 산란광이 수광면 위에 결상된다. 도 7c에서 초점심도(d)의 외측에 위치하는 에지로부터의 산란광은 모이지 않고, 물체면(27)에서 멀어짐에 따라서 핀트가 흐릿해진다.

도 7a~도 9b를 참조하여 설명한 제2실시예의 경우와 동일하게 웨이퍼와 마스크의 상대위치관계를 알 수 있다.

도 11에 나타낸 Y축방향에 대한 위치맞춤에 요구되는 정밀도는 집적회로장치의 집적도 향상에 따라 엄격하게 되어 있다.예컨대, 16G비트의 기억용량을 갖는 다이나믹램의 경우, 12.5nm 정도의 위치맞춤 정밀도가 요구된다. 이 때문에 도 7a에서 설명한 바와 같이, 웨이퍼마크(13A)와 웨이퍼마크(13B)의 Y축방향의 중심간 거리가 예컨대 56㎛가 된다.

도 9a 또는 도 9b에 나타낸 화상신호를 기준으로 하여 위치맞춤을 하기 위해서는 화상신호를 얻을 때의 웨이퍼와 마스크의 상대위치관계가 어느 정도의 오차범위 내에 있는 것이 바람직하다. 그렇지만, 도 11에 나타낸 웨이퍼(11)를 웨이퍼유지대(115)에 유지하고, 마스크(12)를 마스크유지대(116)에 이 오차범위 내로 있는 정밀도로 유지하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 웨이퍼(11)와 마스크(12)를 유지한 후, 이 오차범위 내에 있도록 거친 위치맞춤(Coarse alignment)을 하는 것이 바람직하다.

결상배율이 낮은 수광면(129A) 위의 상에 의한 화상신호를 기준으로 하여 이 코스 얼라인먼트를 용이하게 할 수 있다. 코스 얼라인먼트가 완료된 후, 결상배율이 높은 수광면(129B) 위의 상에 의한 화상신호를 기준으로 하여 보다 고정밀도의 위치맞춤(화인 얼라인먼트)을 할 수 있다. 화인 얼라인먼트를 하기 전에 코스 얼라인먼트를 함으로써 웨이퍼와 마스크를 유지할 때에 요구되는 위치맞춤정밀도가 완화된다.

또한, 집적도 향상에 따라 웨이퍼(11)와 마스크(12)의 간격도 일정하게 유지하는 것이 요구된다. 이 간격은 예컨대, 선폭 0.1㎛의 X선노광의 경우에는 10~20㎛ 정도이고, ±1㎛ 정도의 정밀도가 요구된다. 결상배율이 낮은 수광면(129A) 위의 상에 의한 화상신호를 기준으로 하여 웨이퍼와 마스크의 간격을 검출한다.

제어장치(130)에 화인 얼라인먼트용의 광학계에서 얻어진 화상신호의 처리부와 코스 얼라인먼트용의 광학계에서 얻어진 화상신호의 처리부가 별개로 설치되어 있다. 화인 얼라인먼트용의 광학계에서 검출된 화상신호를 이용하여 웨이퍼와 마스크의 간격의 조정을 하면 제어장치(130)의 처리능력의 관계로부터 화인 얼라인먼트의 고속성이 희생된다. 코스 얼라인먼트용의 광학계의 화상신호를 이용하여 웨이퍼와 마스크의 간격을 조정함으로써 화인 얼라인먼트의 고속성의 저하를 방지할 수있다.

다음에 본 발명의 제4실시예에 대하여 설명한다.

도 12a는 도 7a에 나타낸 웨이퍼마크 및 마스크마크의 에지로부터의 산란광을 도 11에 나타낸 위치검출장치를 이용하여 관측하였을 때의 수광면(129A) 또는 (129B) 위의 상의 스케치이고, 도 8과 동일한 것이다. 도 12a의 세로방향(열방향)이 도 7c의 물체면(27)과 XZ면과의 교선방향에 해당되고, 가로방향(행방향)이 도 7c의 Y축방향, 즉 광축(125)에 수직인 가상평면과 노광면의 교선방향에 해당된다. 수광면(129A) 및 (129B) 위에는 행렬형상으로 수광화소가 배치되어 있고, 각 화소마다 수광량에 따라서 화상신호를 발생한다.

도 12a의 최상행을 제1행으로 하고, 위에서부터 n행째의 화소행을 제n행이라 부른다. 또한, 도 12a의 최좌열을 제1열이라고 하고, 왼쪽으로부터 m열째의 화소열을 제m열이라고 부른다. 실시예에서 사용한 상검출장치(129A) 및 (129B)는 498행 768열의 화소를 갖는다.

수광면 위에 형성된 상(40A)(40B) 및 상(41)으로부터 웨이퍼마크(13A)(13B)와 마스크마크(14)의 상대위치관계의 검출방법에 대하여 설명한다.

마스크 및 웨이퍼를 각각 도 11에 나타낸 마스크유지대(116) 및 웨이퍼유지대(115)에 유지하고, 소정의 갭이 되도록 웨이퍼의 높이를 조절한다. 이 때 마스크와 웨이퍼의 XY면 내에 대한 상대위치를 ±100㎛ 정도의 정밀도로 위치맞춤하고, Z축 주위의 회전방향에 대한 상대위치를 ±200초 정도의 정밀도로 위치맞춤을 할 수 있다.

이하, 도 12a가 저배율의 상검출장치(121A)의 수광면(129A) 위의 화상을 나타내고 있는 것으로서 설명한다. 제어장치(130)가 기준패턴기억수단(131)으로부터 기준패턴을 읽어낸다.

도 12b에 기준패턴의 예를 나타낸다. 기준패턴은 도 7c의 물체면(27)을 중심으로 하여 초점심도(d) 내에 위치하는 에지로부터의 산란광에 의한 상을 기준으로 하여 작성된다.

수광면(129A) 위의 화상으로부터 기준패턴에 근사하는 화상을 추출한다. 웨이퍼마크(13A)(13B)에 의한 상(40A) 및 상(40B)의 일부분을 포함하는부분화상(42A) 및 부분화상(42B)이 추출되고, 마스크마크(14)에 의한 상(41)의 일부분을 포함하는 부분화상(43)이 추출된다. 웨이퍼마크부분 2차원화상(42A)(42B) 및 마스크마크부분 2차원화상(43)의 수광면 내의 좌표를 구한다. 이 좌표로부터의 웨이퍼마크(13A)(13B)와 마스크마크(14)의 상대위치관계를 검출할 수 있다.

이 검출결과에 의거하여 도 11의 구동기구(117)를 구동하고, 마스크마크(14)가 Y축방향에 대하여 웨이퍼마크(13A)와 웨이퍼마크(13B)의 중앙에 위치하도록 웨이퍼를 이동시킨다. 이와 같이 하여, Y축방향에 대하여 ±0.5㎛ 정도의 정밀도로 거친 위치맞춤을 할 수 있다.

다음에 고배율의 상검출장치(121B)에 의하여 얻어진 화상에 의거하여 고정밀도의 위치맞춤을 한다.

이하, 도 12a가 고배율의 상검출장치(121B)의 수광면(129B) 위의 화상을 나타내고 있는 것으로 하여 설명한다. 제어장치(130)가 기준패턴기억수단(131)으로부터 고배율용의 기준패턴을 읽어낸다.

도 12b에 기준패턴의 예를 나타낸다. 기준패턴은 거친 위치맞춤의 경우와 동일하게 도 7c의 물체면(27)을 중심으로 하여 고배율의 상검출장치(121B)의 초점심도(d) 내에 위치하는 에지로부터의 산란광에 의한 상을 기준으로 하여 작성된다.

수광면(129B) 위의 화상으로부터 기준패턴에 근사하는 화상을 추출한다. 웨이퍼마크(13A)(13B)에 의한 상(40A) 및 상(40B)으로부터 제각기 기준패턴에 근사한 웨이퍼마크부분 2차원화상(42A) 및 2차원화상(42B)이 추출되고, 마스크마크(14)에 의한 상(41)으로부터 기준패턴에 근사한 마스크마크부분 2차원화상(43)이 추출된다. 또한, 상의 흐릿한 정도가 적고, 근사한 화상의 추출이 가능하다면 초점심도(d)로부터 벗어난 에지로부터의 산란광에 의한 상까지 포함하여 기준패턴을 작성하여도 된다.

웨이퍼마크부분 2차원화상(42A)(42B)이 제a행~제b행까지의 범위 내에 위치하고, 마스크마크부분 2차원화상(43)이 제c행~제d행까지의 범위 내에 위치하는 경우를 생각할 수 있다. 웨이퍼마크부분 2차원화상(42A)과 마스크마크부분 2차원화상(43)과의 사이를 제q열이 통과하고, 웨이퍼마크부분 2차원화상(42B)과 마스크마크부분 2차원화상(43)과의 사이를 제p열이 통과하고 있다고 한다.

제1열~제p열의 범위 내 및 제q+1열~최종열의 범위 내의 화소의 화상신호를 제a행으로부터 제b행까지 동기적산한다. 여기에서 동기적산이라 함은 동일 열 내의 어느 행으로부터 다른 행까지의 화소의 화상신호를 누계하는 것을 의미한다. 다음에, 제p+1열~제q열의 범위 내의 화소에 대하여 제c행으로부터 제d행까지 동기적산한다. 두 개의 동기적산에 의하여 얻어진 화상신호를 합성하여 한 개의 1차원합성화상신호를 얻는다.

도 13은 1차원합성화상신호의 일례를 나타낸다. 도 13의 가로축은 화소열의 열번호를 나타내고, 세로축은 광강도를 상대눈금으로 나타낸다. 도면의 중앙에 마스크마크부분 2차원화상(43)에 대응하는 세 개의 날카로운 피크가 나타나고, 그 양측에 각각 웨이퍼마크부분 2차원화상(42A) 및 2차원화상(42B)에 대응하는 세 개의 날카로운 피크가 나타난다. 또한, 제p열 및 제q열에 대응하는 위치에 단차가 나타나고 있다. 이것은 제1열~제p열 및 제q+1열~최종열의 범위에서 제a행~제b행의 범위의 화소에 대하여 동기적산하고, 제p+1열~제q열의 범위에서는 제c행~제d행의 범위의 화소에 대하여 동기적산하고 있기 때문이다.

이와 같이, 다수행의 화상신호를 동기적산함으로써 S/N비를 향상시킬 수 있다. 다음에, S/N비의 개선의 정도에 대하여 설명한다.

도 14는 웨이퍼 및 마스크의 물체면 근방의 단면도이고, 도 7c와 동일한 것이다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 광학계(120)의 광축(125)과 노광면의 법선방향이 이루는 각을 α로 한다. 초점심도가 d인 경우, 마스크마크(14)중 수광면(129B)에 선명하게 결상되는 범위는 초점심도(d) 내의 범위이다. 이 범위를 물체면(27)에 수직투영한 상의 폭(L)은

이다.

도 12a에 나타낸 고배율의 수광면(129B) 위의 상의 광학배율을 N, 수광면(129B)의 열방향의 화소피치를 P로 하면 선명한 화상부분(43)을 통과하는 행수 d-c+1은

로 나타내어진다. 수학식 11에 수학식 9 및 수학식 10을 대입하여

가 얻어진다. 실시예에서 이용한 위치맞춤장치의 경우 N=100, λ=0.6㎛, NA=0.35, P=13㎛, α=30°이다. 이 수치를 수학식 12에 대입하면 d-c+1≒65행이 된다. 65행의 화상신호를 동기적산하면 S/N비는 약 65^1/2≒8배로 향상된다.

이하, 도 13에 나타낸 파형으로부터 도 9a 및 도 9b로 설명한 방법과 동일한 방법을 이용하여 마스크마크와 웨이퍼마크의 상대위치를 검출할 수 있다. 또한, 보간연산에 의하여 (P/N)㎛ 이하의 정밀도로 중심간 거리를 구할 수 있다. 이 고정밀도의 위치맞춤에 의하여 ±2~3nm의 정밀도로 위치맞춤을 할 수 있다.

상기 제4실시예에서는 도 12a에 나타낸 수광면(129B) 내의 화소중 제a행~제b행의 동기적산처리에서 제p+1열~제q열의 범위의 화소에 대해서는 적산처리를 하지 않는다. 또한, 제c행~제d행까지의 동기적산처리에서 제1열~제p열 및 제q+1열~최종열의 범위의 화소에 대해서는 적산처리를 하지 않는다. 이 때문에 적산처리를 위한 연산시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기 제4실시예에서는 동기적산처리를 하는 적산대상영역을 상술한 바와 같이 결정하였지만, 그 밖의 부분영역을 적산대상영역으로 하여도 된다. 이 때 웨이퍼마크부분 2차원화상(42A)(42B) 및 마스크마크부분 2차원화상(43)의 각각이 어느 하나의 적산대상영역과 적어도 일부에서 포개지도록 적산대상영역을 결정한다. 이와 같이, 적산대상영역을 결정함으로써 연산시간을 단축하고, 또한 고정밀도의 위치맞춤을 할 수 있다.

또, 상기 제4실시예에서는 두 개의 웨이퍼마크에 대응하는 두 개의 상과, 한 개의 마스크마크에 대응하는 한 개의 상을 수광면 위에 형성하는 경우를 예로 설명하였지만, 두 개의 상을 수광면 위에 형성하고, 양자의 상대위치관계를 구하는 것도 가능하다. 이 경우에는 두 개의 상의 각각과 적어도 일부에서 포개어지는 두 개의 영역 내의 화소의 화상신호를 열방향으로 동기적산하여 얻어진 화상신호를 기준하여 두 개의 상의 상대위치관계를 구한다.

상기 실시예에서는 웨이퍼와 마스크의 위치맞춤을 하는 경우를 예로 설명하였지만, 상기 실시예는 웨이퍼와 마스크에 제한되지 않고, 주표면을 갖는 제1부재와, 그 주표면에 틈을 두어 마주보도록 제2부재와 위치맞춤을 하는 경우에도 적용가능하다.

이상, 실시예를 따라 본 발명을 설명하였는데, 본 발명은 이것에 제한되지 않는다. 예컨대, 다양한 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 웨이퍼마크 및 마스크마크로부터의 산란광을 경사방향에서 관측하여 고정밀도로 위치검출을 할 수 있다. 위치맞춤을 한 후에 웨이퍼를 노광할 경우, 노광범위에 광학계를 배치할 필요가 없기 때문에 노광기간중에도 항상 위치검출을 할 수 있다. 이 때문에 고정밀도인 노광이 가능하게 된다. 또한, 행렬형상으로 배치된 화소의 화상신호를 열방향으로 동기적산하고 있기 때문에 S/N비를 향상시킬 수 있다. 이 때 일부영역에 대해서만 동기적산하기 때문에 처리시간을 단축할 수 있다.

Claims (4)

1. 입사광을 산란시키는 에지를 갖는 위치맞춤용 웨이퍼마크가 형성된 노광면을 갖고, 상기 웨이퍼마크가 상기 입사광의 입사면에 대하여 수직인 방향을 따라 다수개 배치되며, 각 에지의 상기 노광면으로의 수직투영상의 적어도 일부가 곡선이 되는 반도체기판.
2. 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼마크가 상기 입사광의 입사면에 대하여 평행한 방향을 따라 다수개 배열되어 있는 반도체기판.
3. 입사광을 산란시키는 에지를 갖는 위치맞춤용 마스크마크가 형성되고, 상기 마스크마크가 상기 입사광의 입사면에 대하여 수직인 방향을 따라 다수개 배치된 노광마스크로, 각 에지의 그 노광마스크표면으로의 수직투영상의 적어도 일부가 곡선이 되는 상기 노광마스크.
4. 제 3항에 있어서, 상기 마스크마크가 상기 입사광의 입사면에 대하여 평행한 방향을 따라 다수개 배열되어 있는 노광마스크.