JPH0117522B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばレーザービーム等でマーク上
を走査して、これらのマークからの信号を検出す
ることによりマーク位置を測定するマーク位置検
出方法に関するものである。

例えば半導体製造工程において必要とされるマ
スクアライナによるマスクとウエハーとの位置合
わせは、マスク及びウエハー上に予め描かれた自
動位置合わせ用のアライメントマーク上をレーザ
ービームで走査し、エツジの散乱回折光を位置合
わせ情報に使用している。この場合、受光部で光
学的に直接反射光を除去した後に、それぞれの位
置合わせアライメントマークのエツジからの散乱
回折光の強度を光電変換して電気的パルスに変
え、このパルス位置をクロツク計数器等で計測し
てパターンの位置を求め、位置合わせをすること
が一般に行われている。

この従来のマスクとウエハーの位置合わせは、
第１図ａに示すようなアライメントマークＭをマ
スクに、ｂに示すようなアライメントマークＷを
ウエハーに描いて、ｃに示すように重ね合わせて
行うわけであるが、この状態において光走査装置
を用いて比較的スポツト径の大きいレーザービー
ムによりアライメントマークＭ，Ｗ上を示矢ｌ方
向に走査すると、その受光部でｄに示すようなパ
ルス信号が得られる。このパルス信号をコンパレ
ータにより適当なスレツシユホールド電圧Ｖでカ
ツトし、ｅに示すような矩形波状のパルス列を求
め、このパルス列からアライメントマークＭ，Ｗ
の間隔を算出して各マークＭ，Ｗの相対的な変位
量を判定し、駆動回路により位置合わせを行つて
いる。

この第１図の位置合わせ方法によるとマーク
Ｍ，Ｗを構成するそれぞれのバーの光電検出電気
パルスの位置が微小変動し、正確なパルス間隔の
測定が困難である。本願発明者はそれぞれのバー
の光電検出電気パルスの位置が微小変動する原因
を追求し、その結果第２図に説明するような現象
に起因していることを見出した。以下にこの現象
を第２図を使用して説明する。第２図ａは極めて
細径のレーザービームＬを照射した場合のマスク
１のアライメントマークＭの散乱回折光IDとウ
エハー２の反射光IRとの反射光の軌跡を示し、
ｂはアライメントマークＭから得られた信号を示
している。ＡはアライメントマークＭの散乱回折
光IDのみの波形であり、他のＢ、Ｃの各波形は
ウエハー２の反射光IRの干渉が加わつた場合の
信号例である。受光部で得られるアライメントマ
ークＭからの散乱回折光の強度は、マークエツジ
ｍを中心にした正規分布の形をした信号である
が、ウエハー２からの反射光IRの干渉によつて
変形し、またその変形状態は走査ごとにＢ、Ｃに
示すように特にアライメントマークＭの外側の波
形分、つまり第２図で言えば立ち上り部において
不規則に変化する。従つて、レーザービームの径
の大小に拘らず散乱回折光にはこのようなばらつ
きが不安定な変動として含まれており、この波形
をそのまま利用してアライメントマークＭの位置
を検出すれば誤差の介入は避けられない。

上述の欠点を解決する方法として、反射投影光
学系或いは屈折投影光学系を用いるマスクアライ
ナではマスクとウエハーとの間に位相板等を配置
することによつて、アライメントマークＭのエツ
ジからの散乱回折光とウエハーからの反射光との
間に位相差を与え、ウエハーの反射光の干渉によ
るアライメントマークＭの散乱回折光強度の変動
を除去する方法が考えられる。その結果、位置合
わせ精度は向上することになるが、コンタクト方
式のマスクアライナではマスクとウエハーとが殆
ど密着しているので、この種の光学的な干渉防止
機構を配置するのは構造上困難であり、ウエハー
の反射光による干渉を回避することは不可能であ
る。

本発明の目的は、上述の欠点を排除するため
に、走査するレーザービームの径を細くし、かつ
マークパターンを太くすることによつてマークの
前後のエツジの信号をそれぞれ分離した片エツジ
信号として検出し、マーク位置の検出精度の向上
を図るマーク位置検出方法を提供することにあ
り、その要旨は、第１物体と該第１物体の下側に
位置する第２物体との位置合わせのために、前記
第１物体に描かれたマークの位置を、前記第１物
体の上側から光ビームを走査して前記第１物体か
らの反射光を受光することにより光学的に検出す
る方法において、前記マークの走査幅よりも光ビ
ームの径を細くし、前記マークの両端のエツジに
おける散乱による第１、第２の走査順のパルス状
の出力信号を得て、第１の出力信号の立ち下り部
と第２の出力信号の立ち上り部を基に前記マーク
位置を検出することを特徴とする方法である。

次に、本発明を第３図以下に図示のマスクアラ
イナに応用した場合の実施例に基づいて詳細に説
明する。

第３図ａ〜ｃはアライメントマークの位置合わ
せの原理的説明図であり、第３図ａはレーザービ
ームＬによりマスク１のアライメントマークＭ上
を走査した場合であつて、マスク１はウエハー２
上にほぼ重ねられている。ｂはこれらを上から見
た図面であり、ｃはａ，ｂにおける光走査に対応
して得られる出力信号Sl，Srを示している。ａ，
ｂにおいて走査するレーザビームＬのビーム径を
ｄとし、アライメントマークＭの走査方向の幅Ｄ
をＤ＝2d〜3dとする。この場合、ｃに示す出力
信号の波形はレーザービームＬがレーザー走査軌
跡ｌに沿つて走査した場合に、アライメントマー
クＭの前後のエツジｍ，m′の２点における散乱
光がパルス状波形として得られる。このとき、前
述のウエハー２の反射光IRの干渉により、不規
則に変化する部分はアライメントマークＭの外側
の波形部分、つまり出力信号Slの立ち上り部分、
及び出力信号Srの立ち下り部分であり、出力信
号Slの立ち下り部分、及び出力信号Srの立ち上り
部分は、反射光Irの光強度が小さいので比較的に
安定している。本発明では、この安定している部
分をマーク位置検出情報として使用する。

第４図ａ〜ｃはマスク１のアライメントマーク
Ｍとウエハー２のアライメントマークＷの重ね合
わせ状態から、両者の位置関係を求める過程まで
を図示している。第４図ａはアライメントマーク
Ｍ，Ｗの位置及び走査レーザービームＬによる走
査軌跡ｌを示し、アライメントマークＭの前端エ
ツジをＰ１，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ１１、その後端エツ
ジをＰ２，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１２、アライメントマ
ークＷの前端エツジをＰ３，Ｐ９、その後端エツ
ジをＰ４，Ｐ１０とし、これらは第４図ｂにおけ
る点線で示される位置にそれぞれ対応するもので
ある。また、走査軌跡ｌ上のアライメントマーク
Ｍ，Ｗの順次の中心間の距離をＤ１，Ｄ２，Ｄ
３，Ｄ４，Ｄ５とし、D1＝D2でかつD4＝D5の
ときにマスク１とウエハー２との位置合わせが完
了することになる。ｂはアライメントマークＭ，
Ｗ上をレーザービームＬで走査し、その直接反射
光をストツパで除去した後のマークＭ，Ｗのエツ
ジＰ１〜Ｐ１２での散乱回折光を光電変換器で変
換して得られた電気的出力信号Ｓである。これら
のアライメントマークＭ，Ｗの幅Ｄは、走査ビー
ム径ｄに比較して２〜３倍の大きさにされている
ために、アライメントマークＭ，Ｗの前端エツジ
Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５、…、及び後端エツジＰ２，Ｐ
４，Ｐ６…での散乱回折光は個々に得られる。従
つて、この散乱回折光による出力信号Ｓも分離し
て出力され、この分離された出力信号Ｓを後述す
る検出回路により適当なスレツシユホールドレベ
ルＶの丸印の位置においてカツトし波形整形する
と、ｃに示すパルス列が得られる。

先に述べたように、第３図ｃにおける出力信号
Slでは立ち下り部、出力信号Srでは立ち上り部の
変動が少ない。従つて、本発明では前端エツジＰ
１，Ｐ３，Ｐ５…においては出力信号Ｓの立ち下
り部が比較的正しい情報を有し、後端エツジＰ
２，Ｐ４，Ｐ６…においては立ち上り部が正しい
情報を持つ確率が大きいことから、これらの立ち
下り部及び立ち上り部を抽出するようにしてい
る。各アライメントマークＭ，Ｗからは第４図ｂ
に示すように２個１組の第１、第２の出力信号Ｓ
１，Ｓ２が得られ、第１の出力信号Ｓ１の立ち下
り部、第２の出力信号のＳ２の立ち上り部を一定
レベルＶでカツトしたクロスポイント、即ち第４
図ｃに示す白丸を位置情報として使用し、これら
の間の中心位置を各アライメントマークＭ，Ｗの
中心位置とする。

この場合に、第１の出力信号Ｓ１の立ち下り部
同志の間隔をｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５と
し、第２の出力信号Ｓ２の立ち上り部同志の間隔
をｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′，ｄ５′とすると、
先のマスク１とウエハー２間の距離Ｄ１，Ｄ２，
Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５はそれぞれ、 D1＝（d1＋d1′）／２ D2＝（d2＋d2′）／２ D3＝（d3＋d3′）／２ D4＝（d4＋d4′）／２ D4＝（d5＋d5′）／２ となり、アライメントマークＭとＷとの距離は、
前端エツジの立ち下り部同志の間隔と後端エツジ
の立ち上り部同志の間隔との平均値となる。

第５図はアライメントマークＭ，Ｗを検出する
光学系の構成図を示すものである。レーザー光源
１１から出射されたレーザービームＬの光軸に沿
つて順次にコンデンサーレンズ１２、回転多面鏡
１３が配置されている。更に、この回転多面鏡１
３により偏向されたレーザービームＬの光軸に沿
つて、リレーレンズ１４、フイールドレンズ１
５、復路の反射光を光電検出光学系に分割するた
めのビームスプリツタ１６、リレーレンズ１７、
絞り１８、対物レンズ１９が順次設けられ、レー
ザービームＬの走査位置にはマスク１、ウエハー
２が配置されている。また、復路でビームスプリ
ツタ１６により分離される反射光の光軸上には、
結像レンズ２０、波長カツトフイルタ２１、部分
遮光板２２、コンデンサーレンズ２３、光電変換
器２４が配列されている。

上記の構成を有する光学系において、レーザー
光源が１１から出射されたレーザービームＬは、
コンデンサーレンズ１２により点ａで集光された
後に回転多面鏡１３に入射し、直線で示すように
ここでほぼ直角方向に偏向されると共に光軸を直
交する方向に走査される。そして更に、リレーレ
ンズ１４、フイールドレンズ１５を通過した後に
再び点ｂにおいて集光され、順次にビームスプリ
ツタ１６、リレーレンズ１７を通過し、レーザー
ビームＬの主光線は絞り１８の中央に位置する対
物レンズ１９の焦点ｃを通り対物レンズ１９に入
射する。レーザービームＬの主光線は対物レンズ
１９の焦点ｃを通つているために光軸と平行にな
り、主光線はマスク１及びウエハー２に垂直に入
射することになる。マスク１及びウエハー２に入
射したレーザービームＬは、対物レンズ１９によ
り微小スポツトとして結像し、回転多面鏡１３の
回転に従つてマスク１及びウエハー２の面上を走
査する。

いま、マスク１、ウエハー２の走査された個所
がエツジ以外の平滑面であれば、その反射光は対
物レンズ１９の焦点ｃの位置の入射瞳及びその近
辺を通り、往路と同じ直線を経てリレーレンズ１
７を介してビームスプリツタ１６に至る。一方、
走査された個所が平滑面でない場合、即ち前述の
第４図ａに示されるアライメントマークＭ，Ｗの
前後のエツジＰ１，Ｐ２，Ｐ３…を照射した場合
には、走査ビームＬはこれらのエツジＰ１，Ｐ
２，Ｐ３、…で散乱する。この散乱反射光は点線
で示す往路をそのまま戻らず、対物レンズ１９を
通過後にその入射瞳の中心、つまり焦点ｃを必ず
しも通らないで入射瞳の端部を通過する。このこ
とは反射光が入射瞳上で散乱光と非散乱光とに空
間的に分離されていることを示している。

マスク１及びウエハー２の平滑面で反射された
非散乱光は、入射瞳位置を通過後に点ｂで結像す
るようにリレーレンズ１７を介してビームスプリ
ツタ１６に導かれ、ここで直角に偏向されて光電
検出光学系方向に進む光と、直進して回転多面鏡
１３方向に戻る光との２方向に分離される。光電
検出光学系の方向に偏向された非散乱光は、リレ
ーレンズ１７の焦点ｂと部分遮光板２２とを共役
にする働きをするレンズ２０、光電検出用の光を
透過し図示しない観察用光源の光を遮光する波長
カツトフイルタ２１を通過し、部分遮光板２２の
中心位置に結像する。透明ガラスで形成された部
分遮光板２２の中心部は、光を遮光する金属又は
墨等の物質でパターニングされた非透過部となつ
ており、非散乱光はその先のコンデンサーレンズ
２３、光電変換器２４に進むことはない。

しかし、散乱光は非散乱光とほぼ同様な復路を
通過しても、必ずしも部分遮光板２２の中心部に
集光することはなく、従つて光電変換器２４には
散乱光が入射することになるので、走査レーザー
ビームＬがアライメントマークＭ，Ｗのエツジに
至つたときのみ、光電変換器２４から出力信号Ｓ
が発生する。

更に、第６図は本発明に係る方法を実現するた
めの回路であり、光電変換器２４で得られた出力
信号から位置合わせ情報を得てアライナの自動位
置合わせを行う電気回路である。光電変換器２４
の出力は増幅回路３０に入力し、順次にパルス変
換回路３１、パルス間隔測定回路３２、CPU３
３、駆動回路３４に接続されている。なお、パル
ス変換回路３１は閾値電圧発生回路３５及び増幅
回路３０に接続したコンパレータ３６から成つて
いる。パルス間隔測定回路３２はコンパレータ３
６が接続するパルス計数回路３７と基準クロツク
発生回路３８、クロツク計数回路３９及びラツチ
等を用いた数個の並列したクロツク計数値記憶回
路４０，４１，４２，４３とから構成されてい
る。駆動回路３４はCPU３３からの駆動情報が
入力するドライバ回路４４と、これに接続しウエ
ハーステージをＸ方向、Ｙ方向、θ方向にそれぞ
れ駆動するパルスモータ４５，４６，４７から成
つている。

従つて、アライメントマークＭ，Ｗで反射され
た散乱光に基づく光電変換器２４からの出力信号
Ｓは、増幅回路３０で第４図ｂに示すように増幅
された後にパルス変換回路３１に入力する。この
パルス変換回路３１においては、コンパレータ３
６と電圧発生回路３５とにより一定レベルでカツ
トされたクロスポイント位置をパルス幅とする第
４図ｃに示すような矩形波状のパルス波形に変換
される。このパルス波形による出力はパルス間隔
測定回路３２に入力され、先に述べた演算に基づ
くパルス波形のエツジ間隔をデジタル量として求
め、その出力はCPU３３に送信され、ここでマ
スク１とウエハー２との位置ずれ量を計算する。
この位置ずれ量は駆動回路３４のドライバ回路４
４に指令され、更にドライバ回路４４は各パルス
モータ４５，４６，４７を駆動してウエハーステ
ージを移動することになる。

このように本発明に係るマーク位置検出方法
は、走査ビーム径を細くし、マークの走査幅を太
くすることにより、マークの前後のエツジ信号を
分離して求め、測定精度の信頼性の高い前端エツ
ジの立ち下り部と後端エツジの立ち上り部の中心
位置をマークの中心位置とするので位置検出精度
が向上する。これを例えばマスク、ウエハーのア
ライメントマークのアライナに適用すれば、位相
板等の高価で精度の要求される機構が不要とな
る。また、印刷原版の位置合わせ等にも有効に利
用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｅは従来のアライメントマークの検
出方法の説明図、第２図ａ，ｂは従来の検出方法
に誤差に介入する状態の説明図、第３図ａ〜ｃ、
第４図ａ〜ｃは本発明に係るアライメントマーク
の検出方法の説明図、第５図はアライメントマー
クを検出する光学系の構成図、第６図は本発明の
方法を実現する検出回路の一実施例のブロツク回
路構成図である。 符号１はマスク、２はウエハー、１１はレーザ
光源、１３は回転多面鏡、１９は対物レンズ、２
０は結像レンズ、２２は部分遮光板、２４は光電
変換器、３０は増幅回路、３１はパルス変換回
路、３２はパルス間隔測定回路、３３はCPU、
３４は駆動回路、ｄはレーザービームの径、Ｄは
マスクアライメントマークの走査幅、Ｍはマスク
アライメントマーク、Ｗはウエハーアライメント
マーク、Ｌはレーザービームである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１物体と該第１物体の下側に位置する第２
   物体との位置合わせのために、前記第１物体に描
   かれたマークの位置を、前記第１物体の上側から
   光ビームを走査して前記第１物体からの反射光を
   受光することにより光学的に検出する方法におい
   て、前記マークの走査幅よりも光ビームの径を細
   くし、前記マークの両端のエツジにおける散乱に
   よる第１、第２の走査順のパルス状の出力信号を
   得て、第１の出力信号の立ち下り部と第２の出力
   信号の立ち上り部を基に前記マーク位置を検出す
   ることを特徴とするマーク位置検出方法。