JPH0121614B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体へのパターン焼付（露光）装置
の自動整合装置に関する。

半導体チツプはSi、その他の半導体基板の中に
複雑な回路パターンを何重にも重ね合わせる事に
よつて作製される。微細化に当つての問題点の１
つは如何に細かいパターンを半導体基板上に焼き
つけられるかということであり、もう１つは何層
にも重ね合わされる回路パターン同志に如何に正
確に位置合わせできるかという事である。一般に
位置合わせの精度は回路パターンの最小線幅の
１／５〜１／10以下の酷しい値が要求される。従
つて現実には位置合せ（アライメント）の精度が
チツプ製作の場合の制約になつている事も少なく
無い。近年、このアライメント作業を自動的に行
う機能、所謂オートアライメント機能を持つた装
置が登場してきたのはこの様な背景によつてい
る。オートアライメントは位置合わせ作業という
単純な繰り返し作業から人間を解放し、作業の高
速化、均質化、高精度化をもたらした。

オートアライメントの装置を設計する際の問題
点は、処理すべき信号を如何にうまく検出するか
という事である。電気の信号処理は人間が直接目
で見て判断し、アライメント作業を行う程フレキ
シビリテイに富んでいるわけではない。従つて信
号をＳ／Ｎ比良く検出してやる為の特別な工夫が
焼き付け、或いは観察光学系に対して要求され
る。位置合わせの対象となるレチクル（マスク）
は硝子基板に対し、クロム又はクロム―酸化クロ
ムの薄膜が付着し、それがパターニングされてい
るといつた単純な構造をしている。然し乍らもう
一方の対象物であるウエハは何重もの回路の重ね
焼き、それに伴う不純物拡散その他の処理を受
け、表面状態が千変万化する。又ウエハの上には
焼き付けを行う為、必ずフオトレジストの薄膜が
塗布されており、そのフオトレジストの膜厚の絶
対値、膜厚のムラ等もウエハ信号の検出に際して
大きな影響を与える。

対象物としてこの様に多様な性質を持つたウエ
ハに対処し、Ｓ／Ｎ比の良い信号を検知する為に
は従来種々の方法が知られている。代表的なもの
として本出願人になるレーザ光で走査する方法
（特開昭52―132851）がある。この出願では輝度
の高い光源としてレーザを用いて物体面にレーザ
スポツト又はスリツトを結像し、それを走査す
る。更にこの出願ではＳ／Ｎ比を光学的に向上さ
せる為、光電的に検出する信号を散乱光のみとす
る事を特徴としている。この方法をそのままレチ
クルを通してウエハを観察するアライメントスコ
ープに適用した場合には、レーザ光の干渉性が問
題となる。特にレチクルからの信号はレチクルか
ら直接散乱してくる光と、散乱した後ウエハを介
して戻つてくる光とが干渉して、時間的に揺動
し、測定の不安定性を招く原因となる。この干渉
現象を除く為偏光を利用する方法が特開昭56―
24504に示されている。この出願ではレチクルと
ウエハの間の光学系の中にλ／４板に相当する様
な素子を配置してレチクルからの直接散乱光と、
そうでない光とを偏光的に分離する事を特徴とし
ている。光学系の中にλ／４板相当の素子を入れ
なければならない事は設計上大きな制約となる。
この為、従来は焼き付け時とアライメント時にレ
ンズの一部を切り換えてアライメント用のレンズ
にλ／４板を配置したり、光学系のミラーに特殊
なコーテイングを施したりする事により、この条
件を満足させていた。本発明は従来の焼き付け光
束の通る空間の中にλ／４板相当のものを配置す
るという制約を取り除き、新しい方式でレチクル
とウエハの信号を検知する事を目的とする。本発
明では、更にその検知信号に基いてレチクルとウ
エハの相対的な自動位置合せが行われる。

更に本発明では露光光学系の色収差の影響を受
けず、露光光学系の色に対する制約、即ち焼き付
け波長とアライメント波長の違いによる問題を解
決することを目的とする。

更に本発明では露光光学系の性質に合致した方
式をとる事により、レチクル及びウエハ信号を効
率良く取り出すことを目的とする。この為、本発
明ではレチクルとウエハの間にアライメント波長
に対応した偏光ビームスプリツタを用いる事を特
徴としている。

本発明の詳細を以下の実施例に示す。

本発明の実施例をステツプ・アンド・リピート
方式の露光装置、所謂ステツパに応用した場合の
例を第１図に示す。図中１はレチクル又はマス
ク、２はウエハ、３はウエハを載置するステージ
である。４はレチクル（マスク）のパターンをウ
エハ上に縮小又は等倍で投影する露光光学系を示
し、４―１が該光学系の前群、４―２が後群を示
す。本実施例では露光光学系の一部として４―１
と４―２の間にビームスプリツタ５が配置されて
いる。ビームスプリツタ５はアライメント用の波
長と露光用の波長が異なる場合、アライメント光
には偏光ビームスプリツタ、露光光には単なる平
行平面板として働く。アライメント光と露光光の
波長が同一と見做せる様な場合にはビームスプリ
ツタとしての作用が優先される。ビームスプリツ
タ５は、例えば露光光学系４の瞳の位置に配置さ
れると都合が良い。第１図では瞳の位置にビーム
スプリツタ５が配置された場合を示している。

レーザ源１４を出たレーザ光（アライメント
光）は集光レンズ１３を通つて回転多面鏡１２に
入る。回転多面鏡１２の回転に伴つて走査される
レーザ光はリレーレンズ１０を通過後ビームスプ
リツタ５に入射する。ビームスプリツタ５でレー
ザ光は互いに偏光方向が直交する光に２分される
わけであるが、偏光型のレーザを用いる際には予
めレーザの偏光方向を定めておくか、又は第１図
の９の様にλ／４板、又はλ／２板の様な偏光状
態を調整する素子を入れても差し支えない。１２
と１０の間には光電検出系へ導く為のビームスプ
リツタ１１が設けられているが、１１として偏光
ビームスプリツタを用いれば、リレーレンズ１０
に入る光の偏光方向が自然と定まつてしまう。そ
の場合には９としてλ／４板を用いて偏光状態を
調整すると便利である。ビームスプリツタ５はレ
ンズの瞳位置に置かれているとしたが、回転多面
鏡の反射点と瞳位置とは互いに共軛関係となつて
いる。スプリツタ５で反射したレーザ光（第２光
束）は光学系４―２を通りウエハ２の上に結像
し、鏡１２の回転に伴つてウエハ２上のアライメ
ントマーク部分を走査する。

リレーレンズ１０は光学系４―２を介してウエ
ハ２の上面にレーザスポツト光が結像する様に収
差補正が為される。ウエハ２で反射した光は再び
偏光ビームスプリツタで反射し、リレーレンズ１
０に戻つてから、１５〜１７の光電検出系に入
る。１５は暗視野時検出を行う為の空間周波数フ
イルタ、１６はコンデンサーレンズ、１７はフオ
トデイテクタである。暗視野フイルタ１５は回転
多面鏡１２の反射点と共軛の位置にある。レーザ
スポツト光がウエハ２上を走査しても鏡１２の反
射点は空間的な不動点であり、従つて空間周波数
フイルタ１５上でもウエハ２面で正反射して戻つ
て来る光の位置は不動である。鏡１２から投射さ
れる光は図中斜線を引いて示してある。

光電検出系では散乱光のみの出力が検知され
る。即ち、ウエハ２で反射される光のうち散乱さ
れない光は投光する斜線部内の光束に再び入つて
しまい、結局空間周波数フイルタ１５でブロツク
される。一方、アライメントマークのパターンエ
ツジでの散乱光は正反射に従わない為、斜線部以
外の部分の光路を通る。空間周波数フイルタ１５
の位置では、従つて散乱光と非散乱光が空間的に
分離した形であらわれる。フイルタ１５の効果で
散乱光のみが透過し、フオトデイテクタ１７（検
出手段）に入る。

一方、偏光ビームスプリツタ５を透過したレー
ザ光（第１光束）はレチクルのアライメントマー
ク情報を検知する為に用いられる。この原理につ
いて説明する。偏光ビームスプリツタ５を透過し
た光はλ／４板６に入射する。６の作用はミラー
８で反射して戻つてくる光の偏光方向を変える役
目を果たす。偏光方向が変つた光は、今度は偏光
ビームスプリツタ５で反射して露光光学系の前群
４―１に入り、レチクル１の下面のアライメント
マーク部分に到達する。

レーザスポツト走査の原理からしてレーザ光１
４からの光はレチクル１の下面でスポツトを結ば
なければならない。その役目を担うのがレンズ７
とミラー８である。その為ビームスプリツタ５が
光学系の瞳位置にある場合、レンズ７はテレセン
トリツクレンズである必要がある。レチクル１の
下面にスポツトを結像させる為にはレンズ７の光
軸方向にミラー８の位置を調整すれば良い。レチ
クル１の下面で反射、或いは散乱して戻つてきた
光は先ずスプリツタ５で反射してλ／４板６を通
り、ミラー８で反射し再びλ／４板６を通る。こ
の時偏光方向が回転する為、今度はスプリツタ５
を通過する偏光方向となつてリレーレンズ系１０
からフオトデイテクタ１７へ導かれて行く。

この様に、本発明では、偏光ビームスプリツタ
５とλ／４板６とミラー８を有する光分割手段に
より、レーザ光を互いに偏光方向が直交する２光
束に分割して一方の光束をレチクル１（マスク）
へ他方の光束をウエハ２へ向けている。又、この
光分割手段はレチクル１からの反射光とウエハ２
からの反射光を重ね合わせてフエトデイテクター
１７へ向ける為の光結合器としての作用も果た
す。

一般に瞳の位置へ偏光ビームスプリツタを入れ
た構成をとると、ミラー８の位置はレンズ７の焦
点位置近傍にある。７から８に至る系は一種のキ
ヤツツアイ光学系を構成している。このキヤツツ
アイ光学系は一方で露光光学系４―１を通してレ
チクル下面にレーザスポツトを結ばせている。即
ち、レーザスポツトをレチクル下面にもウエハ上
面にも同時に結像させる事が可能となつたのであ
る。露光光学系４が焼き付け用の波長、例えばｇ
線（436nm）に対して設計された時、レーザ源１
４の波長としてHe―Neの633nmの光を選ぶと、
一般には両者の値に大きな色収差が発生する。ｇ
線でレチクル１とウエハ２のピントを合わせたと
すると、633nmではウエハ上でレチクル像が大き
くデフオーカスしてしまう。しかし、本実施例で
は７以下の補助光学系を用いる事により、ｇ線で
ピントの合つた状態で、レチクルとウエハ双方に
633nmのスポツトを形成する事ができる。

レチクルからの信号も同じ様に散乱光で捉えら
れる。この様子は第１図のマスク側の斜線を引い
た光束の振舞いから明らかである。回転多面鏡１
２の回転に伴つてウエハ上面、及びマスク下面を
走査した時に得られる散乱光信号はフオトデイテ
クタ１７で検知され、増幅器１８、パルス整形回
路１９を通つた後、信号処理系２０に入る。処理
系２０から得られる信号に基づいてウエハ駆動装
置２１（整合手段）でマスク１とウエハ２の相対
位置の調整を行う。ウエハの代りにマスク１を駆
動しても同じ効果が得られる。その場合にはマス
ク側は露光光学系の倍率分だけ駆動の精度が緩く
なる。

ここで注目すべき事はマスクとウエハをそれぞ
れ独立に検知しているので、マスクとウエハ間の
光の干渉が全く起こらないという事である。この
為得られる信号は極めて安定しており、繰り返し
精度の良い、精度の高い計測を行う事ができる。
この安定性は本実施例の特徴であり、以下の実施
例にもすべて当てはまる。

アライメントマークとしては従来第２図の様な
ものが公知である。図中２５がレチクル上のマー
ク、２６の点線がウエハ上のマスク、そして一点
鎖線で示した線２７がレーザの走査線を示してい
る。リレーレンズ１０を通して観察されるレチク
ルとウエハの像はこの様に両者が重なつて観察さ
れる。散乱光は走査線がマークに当つた時に検知
され、電気的なパルス波の列に変換される。パル
ス間の相互の時間間隔を測定する事によりレチク
ルとウエハの相対位置を検知する事ができる。

第３図には第１図の別の実施形を示した。第１
図との違いは回転多面鏡１２に入射するレーザビ
ームの状態を異なえた為、新たにリレーレンズ３
１が配置された事と、光電検出系の構成の違いで
ある。第３図の系はレンズ３１，１０，４―２を
通してウエハを、又３１，１０，７，７，４―１
を通してレチクル上を走査するが、双方ともトー
タルとしてｆ―θ特性即ち走査スポツトが物体面
上を等速で動く様に収差補正をする事が望まし
い。第３図中に示してあるのは走査スポツトの結
像関係であり、斜線を施してある部分が入射レー
ザ光の有効径である。この関係は第１図と同一で
ある。

第３図でもう一つ特徴的なのは、ビームスプリ
ツタ１１で分割された後の光電検出系である。図
中３２は瞳結像レンズ、３３は偏光ビームスプリ
ツタ、１５は空間周波数フイルタ、１６はコンデ
ンサーレンズ、１７はフオトデイテクタである。
３３の偏光ビームスプリツタを用いたのは、ウエ
ハ及びレチクルで反射して再び偏光ビームスプリ
ツタで統合された２つの光の偏光方向がお互いに
直交している事実に着目したものである。

偏光ビームスプリツタ５に入射する光の偏光状
態は、ウエハ側とレチクル側に光が分れる様P.S
両成分なければならない。偏光型のレーザを用い
る場合には、レーザ光の偏光方向を予め所定の方
向にしておけば良いが、例えば９の位置にλ／４
板を入れてP.S両成分を作る様な配置も可能であ
る。その場合には９′の位置にもう一つλ／４板
を入れてやる必要がある。いずれにせよスプリツ
タ５で再統合された光には一方の偏光方向にウエ
ハ、それと直交する偏光方向にレチクルという偏
光面分離の形で２つの情報が含まれている。これ
を再び分離して電気的に取り出し、信号処理を行
うのが第３図の光電検出系以降である。この際レ
チクル１からの信号は対象物が硝子とクロム（又
は酸化クロム）という反射率のかなり異なるもの
なので検出は明視野で行つても良い。明視野にす
るには空間周波数フイルタ１５の代りに素通しの
硝子３４を設けるか、又はフイルタ１５を取り除
いても良い。ウエハの信号はＳ／Ｎ比からして暗
視野でとらねばならないが、暗視野で検出できる
光量は明視野より一桁近く小さくなつてしまう。
従つて、レチクルの信号を明視野で取る事ができ
れば、最初に偏光ビームスプリツタに入射するＰ
成分とＳ成分の比を、例えばレーザの偏光方向を
変える事によりコントロールし、その結果ウエハ
側により多くの光を分配する事も可能である。ウ
エハの明視野出力がレジスト厚などの為変化して
も、偏光で分離されている為レチクルの明視野出
力は安定してＳ／Ｎ比を良く取り出す事ができ
る。

又、第３図中の３５はエレクタ、３６は接眼レ
ンズを示し、レチクルとウエハの観察光学系を示
す。観察光学系は装置の操作上必要なものである
が、第１図と第４図では図が繁雑になる為省略
し、第３図にのみ示した。

第４図はウエハと露光光学系４０の間に観察用
光学系４１，５，４２を挿入する光学系の例であ
る。４１〜４２に至る光学系は倍率１の挿入光学
系で、挿入しても投影像の倍率及びピントを不変
に保つ。この場合にも偏光ビームスプリツタ５を
活用すると良い。λ／４板６、補正レンズ４５、
反射ミラー８の役割は第１図、３図と同じであ
る。

本実施例では露光光学系４０を介さずにウエハ
を直接観察する事ができる点でメリツトがある。
露光光学系の開口数NAが小さい場合でも高いア
ライメント精度が要求される事がある。その場合
にはウエハを如何に分解能良く観察できるかが問
題となる。レチクルはエツジもはつきりしていて
観察し易いのに対して、ウエハは構造が複雑だか
らである。本実施例では露光光学系の開口数NA
に関係なく観察光学系の開口数NAを設定する事
ができるので、走査スポツト径を露光光学系を通
した場合よりも小さくする事ができる。走査スポ
ツト径を小さくするという事は走査スポツトの開
口数NAを大きくする事に対応する。露光光学系
で全系としての開口数NAが定まつているので、
走査スポツトの開口数NAを大きくすると散乱光
を取り出す余裕がなくなり、検出する光電検出出
力が減少する。第４図で言えば全系の通る光束の
うち、斜線部の占める割合が大きくなつて散乱光
を検出する部分が少なくなつてしまう事に相当す
る。従つて、ウエハを直接観察するシステムは露
光光学系の開口数NAより大きい開口数NAで光
を検出できる為、露光光学系を介する方式に比べ
有利である。

第４図の様な系は又、露光光学系４０の透過率
が悪い場合に有利である。何故ならば、検出の難
しい対象であるウエハを直接しかも露光光学系の
透過率による劣化を考慮せずに検出する事ができ
るからである。一方レチクルの方の信号は一旦ミ
ラー８で反射した後、λ／４板６の効果で偏光ビ
ームスプリツタ５で反射する。然る後に露光光学
系４０を通つて不図示のレチクル１で反射散乱
し、再び元来た道を出る。第４図では瞳結像レン
ズ４４、空間周波数フイルタ１５等を配置し、第
１図に似た構成をとつているが、勿論第３図の様
な構成も可能である。レチクルからの散乱光は
Ｓ／Ｎ比が良いので、第４図の様な方式でも十分
良い信号がとれる。

この他変形例としては、レチクルと露光光学系
側に偏光ビームスプリツタを配置する例もある
が、第４図の系をそのまま適用できるので、図示
は省略する。

又、本発明はレーザ走査方式に限らず、他のオ
ートアライメントの手法、例えばTVやイメージ
センサを用いる方式にも容易に適用できる。

本発明により焼き付け光で互いに共軛であるレ
チクルとウエハをそのままの状態で、アライメン
ト光でピントを合わせて検出が可能である。又、
アライメント波長も任意に選ぶ事ができる。

又、本発明はレチクルとウエハ間の干渉を無く
し、両者の信号を独立にとり出す事を可能とし
た。この為安定した計測が可能となり、測定精度
が向上した。

本発明の別の効果はウエハを直接観察し、ウエ
ハを高い開口数NAで検出できる事である。即ち
検出の分解能を高め、オートアライメント精度の
向上に寄与している。

本発明の更に別の効果は、露光光学系の透過率
に合わせた配置をとる事を可能にした事である。
この為、アライメント波長に対して露光光学系の
透過率が低い場合でも、本発明は充分に対処し得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の自動整合装置を露光装置に応
用した場合の配置図、第２図はアライメントマー
クを示す図、第３図は第２実施例を示す図で複数
のデイテクタの例図、第４図は第３実施例を示す
図で露光光学系とウエハの間に検出光学系を置く
例図である。 図中１はレチクル、２はウエハ、３はウエハ載
置台、４，４０は投影光学系、５は偏光ビームス
プリツタ、６はλ／４板、７は補正レンズ、８は
ミラー、１０はレンズ、１２は回転多面鏡、１４
はレーザ、１５は空間周波数フイルター、１７は
フオトデイテクタ、２０は信号処理回路、２５，
２６はオートアライメントマーク、３３は偏光ビ
ームスプリツタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ マスクとウエハの間に設けた露光光学系を用
   いて、露光光により前記マスクのパターンを前記
   ウエハ上に投影する際、前記マスクとウエハとを
   予め整合するための自動整合装置において、前記
   マスクとウエハの間の前記露光光の光路中に設け
   た偏光ビームスプリツターと、アライメント光を
   前記偏光ビームスプリツターに向けるための光源
   と、前記偏光ビームスプリツターを介して形成さ
   れる前記アライメント光の２つの光路の一方の光
   路に前記偏光ビームスプリツターからの光を反射
   して再度前記偏光ビームスプリツターに向けるよ
   うに配置したミラーと、該ミラーと前記偏光ビー
   ムスプリツターの間の光路中に設けた１／４波長
   板と、前記２つの光路に沿つて進む互いに異なる
   アライメント光で照明された前記マスクとウエハ
   のアライメントマークからの反射光の一方を前記
   ミラーと１／４波長板と偏光ビームスプリツター
   とを介して検出すると共に他方を前記偏光ビーム
   スプリツターを介して検出する検出手段と、該検
   出手段からの出力信号に基づいて前記マスクとウ
   エハとを整合する整合手段とを有することを特徴
   とする自動整合装置。