JPH0145736B2

JPH0145736B2 -

Info

Publication number: JPH0145736B2
Application number: JP57061853A
Authority: JP
Inventors: Fuerudoman Maachin; Deiuitsudo Howaito Aran; Roorensu Howaito Donarudo
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-04-15
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1989-10-04
Also published as: JPS57178343A; CA1166363A; DE3213338A1; GB2098728A; BE892840A; US4398824A; HK7486A; IT8220712A0; FR2504288B1; GB2098728B; FR2504288A1; IT1205252B; DE3213338C2; NL8201571A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はウエハ表面上に像形成手段を含む型の
半導体ウエハの位置合わせ法に係る。像形成手段
は入射放射に照射された時、複数の垂直方向にず
れた焦点のあつた像を形成し、その工程は複数の
焦点のあつた像が形成されるよう像形成手段を照
射する段階、焦点のあつた像を検出器上に投影す
る段階及び像をあらかじめ選択された位置に合わ
せるように、検出器上に投影された像の位置に応
答して、ウエハを移動させる段階から成る。

微細構造デバイス及び回路の製作には、マスク
を半導体ウエハに対して正確に位置合わせする必
要がしばしばある。非常に高解像度のデバイスの
場合、ミクロン以下の位置合わせ許容度がしばし
ば必要である。そのような位置合わせは、GCA
Mann DSW 4800のようなフオトリングラフイ
段階−くり返し投影プリンタを用いる場合、特に
重要である。

位置合わせの場合、通常ウエハ表面上の位置合
わせマークを用いる。

好ましい位置合わせマークの一つの型は、フレ
ネルゾーンプレートである。（フレネルゾーン及
びフレネルゾーンプレートの一般的な議論につい
ては、クライン、エム、ヴイ、オプテイクス、ジ
ヨン、ウイリーアンド・サンズ社（Kiein Ｍ
Ｖ Optics John Wiley and Sons）、ニユー
ヨーク、1970を参照のこと。半導体ウエハ上の位
置合わせマークとしてのフレネル・ゾーンプレー
トの使用については、フエルドマン、エム
（Feldman Ｍ）ら、米国特許第4037969号も参照
のこと）たとえば、半導体ウエハの表面上に置かれたフ
レネル・ゾーンプレートは、低及び高反射率の交
互に変る同心円領域から成る。あるいは、ゾーン
プレートは反射光を非干渉及び干渉させる交互の
同心円領域から成る。そのようなパターンは電子
線への直接照射又はフオトレジストを光に露出さ
せるといつた当業者には周知の各種の方法で形成
できる。段階−くり返し系で用いる位置合わせす
べきウエハは、通常ウエハの表面上に２ないしそ
れ以上の位置合わせマークを含む。チツプ毎の位
置合わせの場合、位置合わせマークは各チツプ上
にある。

フレネル・ゾーンプレート位置合わせマークは
独特の光学特性をもち、それらは同時に焦点距離
ｆ、f/3、f/5………のポジ形レンズと焦点距離−
ｆ、−f/3、−f/5………のネガ形レンズとして働く
ことを可能にする。ｆの正確な値は、プレートの
形状により決められる。（フエルドマンらの先の
文献を参照のこと）従つて、光学軸に平行にされ
た入射放射は、フレネル・ゾーンプレート位置合
わせマークにより、ウエハ表面の前ｆ、f/3、f/5
………の距離に複数の実像として焦点が合わさ
れ、ウエハ表面の後−ｆ、−f/3、−f/5………の距
離に複数の虚像として焦点が合わされる。この具
体例において、ウエハ表面の前面の距離は正、ウ
エハ裏面の距離は負にとつてある。

たとえば、典型的な従来技術に従つて半導体ウ
エハを位置合わせするために、ウエハ表面の前の
あらかじめ決められた距離に、複数の焦点のあつ
た実像を、またウエハ表面の後のあらかじめ決め
られた距離に、複数の焦点のあつた虚像を形成す
るように、放射はフレネル・ゾーンプレート上に
向けられる。焦点のあつた像の選択された一つ、
通常は＋ｆの焦点距離にある実像又は−ｆの焦点
距離にある虚像を、光学系により四象限光検出器
装置上に投影する。この検出器装置は適当な電子
回路とともに、位置検出手段として働く。位置検
出手段は像が投影された時、それがたとえば四象
限配置の原点といつたあらかじめ決められた位置
と本質的に一致しているか否かを決定するのに適
している。位置検出手段からの出力に応答して、
投影された像があらかじめ決められた位置に一致
するようウエハが動かされ、そのようにして位置
合わせが行なわれる。

上に述べた従来技術のゾーンプレート位置合わ
せ技術の精度は、局部的なウエハの傾きにより制
限される。局部的なウエハの傾きは、一般にウエ
ハのバルク的な回転ではなく、ウエハ表面上のプ
レーナ形状からのずれとよばれる。局部的なウエ
ハの傾きは、ゾーンプレートにより形成される実
像及び虚像の両方をずらし、それにより系統的な
誤差が生ずる。たとえば、もしゾーンプレートが
局部的な傾きをもつウエハ表面の一部上に形成さ
れたとすると、＋ｆの焦点距離にある実像は、光
検出装置上へのその投影があらかじめ選択された
位置と一致するように、ずらすことができる。た
とえ傾きのないプレーナ表面上の同様の位置合わ
せマークが、＋ｆの焦点距離に像を作らず、光検
出器装置上のその投影があらかじめ決められた位
置と一致したとしてもである。このようにして系
統的な誤差が生ずる。たとえば、約1μｍ／cmの
局部的なウエハの傾きは、300μの焦点距離をも
つゾーンプレートの場合、0.06μ程度の位置合わ
せ誤差になり得る。

もし、半導体ウエハを被覆するフオトレジスト
が均一な厚さでないと、同様の問題が生じる。こ
の場合、不均一な厚さのフオトレジスト部分での
光の屈折は、ウエハ表面上の位置合わせマークに
より形成された像のずれを生じる可能性があり、
それにより系統的な位置合わせ誤差を生む。

上に述べたことから、段階−くり返しフオトリ
ングラフシステムによるパターン形成の場合、局
部的ウエハの傾き又は半導体ウエハの位置合わせ
における不均一なフオトレジスト厚の一方又は両
方を補償する方法を見い出すことに、努力が向け
られてきた。

本発明に従うと、これらの問題は上に述べた方
法によつて解決される。本発明は次の工程を特徴
とする。一対の垂直にずれた焦点のあつた像を、
検出手段上に投影する工程及び焦点のあつた像の
対の投影された位置が、あらかじめ選択された位
置から、あらかじめ決められた距離だけ、相互に
ずれるように、ウエハを移動させる工程である。
好ましい実施例において、二つの焦点のあつた像
は、一次実像及び虚像で、それらはウエハ表面か
ら等しくかつ反対方向に垂直方向にずれる。しか
し、局部的なウエハの傾きがあると、焦点のあつ
た実像及び虚像の投影された位置が、あらかじめ
選択された位置から等しくずれるまで、ウエハが
移動され、それによつてウエハの位置合わせがで
きる。二つの像を検出器上に焦点を合わせるため
に、二重焦点レンズが用いられる。

本発明に用いられる上で述べた新しい位置合わ
せ条件は、上に述べた従来技術で用いられる位置
合わせ条件と比較できる。従来技術においては、
単一の投影像があらかじめ選択された位置と一致
した時、位置合わせ条件が満足された。先に示し
たように、この位置合わせ技術は、局部的なウエ
ハの傾きや不均一なレジスト厚の影響を除去でき
ないから、系統的な誤差を生みやすい。それに対
し、本発明の位置合わせ条件は、二つの投影像を
用い、局部的なウエハの傾きの量や、レジスト厚
の不均一さの量とは独立に正しい。

本発明の原理を概念的に理解することは、第１
図に示された装置からできる。典型的な場合、本
発明の装置は段階−くり返しフオトレジストシス
テムの一部である。

第１図を参照すると、半導体ウエハ１１が移動
可能なテーブル１２上に置かれている。位置合わ
せマークを画成している像形成手段であるフレネ
ルゾーンプレート１３が、局部的な傾きθをもつ
ウエハ表面１４の一部分上に、置かれている。た
とえば、θは10^-4ラジアンの程度である。

放射源２０及び鏡２１は入射放射２２をゾーン
プレート位置合わせマーク上に向ける働きをす
る。たとえば、入射放射２２は光学軸９に平行に
される。

放射２２は、フレネル・ゾーンプレート位置合
わせマークによつてウエハ表面の前ｑ＝ｆ、f/3、
f/5………の所定の距離に位置する複数の実像と
ウエハ表面の裏ｑ＝−ｆ、−f/3、−f/5………の所
定の距離に位置する複数の虚像として結像され
る。第１図において、ウエハ表面から前の距離は
正に、ウエハ表面から後の距離は負にとられる。
ウエハより前及び後の距離は、平均のウエハ表面
を表す面３０から測定される。典型的なゾーンプ
レート位置合わせマークの場合、ｆは300μの程
度である。

ゾーンプレート位置合わせマークにより形成さ
れた二つの焦点のあつた像（結像）が、第１図に
示されている。第１は＋ｆ焦点距離で、ウエハ表
面の前ｑ＝＋ｆの第１のあらかじめ決められた距
離における一次の実像Ｒである。第２は−ｆ焦点
距離で、ウエハ表面の後ｑ＝−ｆの第２のあらか
じめ決められた距離における一次の虚像Ｖであ
る。Ｒ及びＶは光学軸９から反対方向に等しくず
れている。位置合わせのためには、これら二つの
像を用いるのが有利である。なぜならば、第１図
には示されていない高次の実像及び虚像より明る
いためである。

二重焦点レンズ２５は第１の投影像R′及び第
２の投影像V′を形成するため、単一の光検出手
段２６上に像Ｒ及びＶを投影するための手段であ
る。R′及びV′はそれぞれ焦点のあつた像Ｒ及び
Ｖの焦点のあつた像である。R′及びV′は第１図
で点として示されているが、それらは有限の空間
的な大きさをもち、たとえばガウス状のスポツト
であることを認識すべきである。二重焦点レンズ
はＲ及びＶを検出手段２６上に投影するために用
いられる。なぜならば、Ｒ及びＶは検出器２６の
表面２７から等しい距離にはないからである。二
重焦点レンズはＲ及びＶの垂直偏光成分を、表面
２７上に再成し、それぞれR′及びV′を形成する。
R′及びV′を形成するために垂直偏光成分を使用
することは、表面２７付近での干渉効果を防止で
きることから有利である。（二焦点レンズ要素の
議論については、1976年11月９日に承認されたエ
イ・デイー・ホワイト（A.D.White）の米国特許
第3990798号を参照のこと）しかし、適当な条件
下では、二焦点レンズ以外の他の手段も、Ｒ及び
Ｖを検出器表面上に投影するために使用できる。

検出器手段２６により生じる信号に応答する比
較器回路２８とともに、光検出手段２６は最初に
投影された像R′及び第２の投影像V′が、投影さ
れたそれぞれの像について、あらかじめ選択され
た位置から、第１のあらかじめ決められた距離ｑ
＝ｆ（Ｒからウエハ表面までの距離）及び第２の
あらかじめ決められた距離ｑ＝−ｆ（Ｖからウエ
ハ表面までの距離）に、それぞれ比例した量だけ
ずれた時、それを判断するのに適した位置検出手
段を形成する。第１図の具体例において、二つの
投影像のそれぞれに対し、同じ位置Ｐがあらかじ
め選択される。従つて、V′及びR′があらかじめ
決められた位置Ｐから反対方向に、本質的に等し
くずれた時、第１図に示された具体例の場合、本
発明の原理に従い位置合わせが達成される。これ
は焦点のあつた像Ｒ及びＶが、ウエハ表面から反
対方向にあらかじめ決められた距離だけ離れて位
置するためである。この位置合わせ条件は、局部
的なウエハの傾きの大きさによらず正しい。あら
かじめ選択された位置Ｐは、局部的なウエハの傾
きがない時、二つの投影像R′及びV′がＰに一致
するように選ばれることに注意する必要がある。

もし、上に述べた位置合わせ条件が満されない
時、位置合わせ条件が満されるまで、ウエハを移
動させるため、比較器２８からの出力に応答する
移動手段を、微動器２９及び可動テーブル１２が
形成する。

光検出手段２６は四象限光検出装置であると有
利である。一般に、あらかじめ選択された位置Ｐ
は、四象限装置の原点である。もし、R′及び
V′がガウススポツトであると、放射強度が第１
及び第３象限で本質的に等しい時及び放射強度が
第２及び第４象限で本質的に等しい時、それらは
あらかじめ選択された位置Ｐから、反対方向に本
質的に等しくずれる。この条件が満されたことを
判断するのには、標準的な比較回路２８が用いら
れる。

第１図の装置は本発明の原理を単に説明するた
めのものであり、それらの原理を実施するために
他の装置も使用できることに注意すべきである。
たとえば、＋ｆ焦点距離の実像と−ｆ焦点距離の
虚像を用いる代りに、フレネル・ゾーンプレート
位置合わせマークにより形成された他の像の対を
用いて位置合わせプロセスを行なうこともでき
る。

加えて、第１及び第２の焦点のあつた像を単一
の光検出器上に投影する代りに、第１及び第２の
投影像を形成するために、それぞれ第１及び第２
の別々の光検出器に投影することもできる。この
場合、第１の光検出器上の位置は、第１の投影像
に対してあらかじめ選択され、第２の光検出器上
の位置は、第２の投影像に対してあらかじめ選択
される。

本発明の原理を実施するのに使用できるもう一
つのシステムが、第２図に示されている。第２図
に示された本発明の実施例に関連して述べた多く
のパラメータは、請求範囲の視野を限定するため
のものではない。

第２図を参照すると、フレネル・ゾーンプレー
ト位置合わせマーク３１が半導体ウエハ３３の表
面３２上に配置されている。ウエハは可動テーブ
ル５００上に配置されている。典型的な場合、第
２図の装置は段階−締返しフオトリソグラフイ・
システムの一部であり、パターンをウエハ表面上
に転写すべきマスクは、レテイクルプレート１０
０上にある。

第２図において、放射はゾーンプレート位置合
わせマークに、以下のように向けられる。単色光
源３０１からの光は、レンズ３０２により位置Ａ
に焦点が合わされる。Ａに焦点を合わされた放射
は、レンズ３０４により光学手段３０５中に向け
られる。光学手段３０５はその中に向けられた放
射を、第１及び第２の垂直偏光成分をもつ第１及
び第２の放射成分にそれぞれ分離し、第１及び第
２の放射成分が伝わる光学路の長さに差をつける
ために用いられ、それにより第１の放射成分は位
置Ｂに焦点が合わされ、第２の放射成分は位置Ｃ
に焦点が合わされる。第１の放射成分（垂直に偏
光）の光路は、線３１０で示され、第２の放射成
分（平行偏光）の光路は、線３２０で示される。

第２図に示された本発明の実施例において、光
学手段３０５は偏光ビームスプリツタ４００及び
４１０、プリズム４２０から成る。ビームスプリ
ツタ４００は偏光界面４０３を形成するために合
わされた直角プリズム４０１及び４０２から成
る。同様に、ビームスプリツタ４００は偏光界面
４１３を形成するために合わされた直角プリズム
４１１及び４１２から成る。

平面（第２図の平面）に平行に偏光した手段３
０５上の放射入射は、界面４０３及び４１３によ
り伝達される。平行に偏光した放射（放射３２
０）は、鏡４７０により反射され点Ｃにおける焦
点へ向けられる。平面４０５に垂直に偏光した手
段３０５上への放射入射は、界面４０３により反
射され、プリズム４２０を通過し、界面４１３で
再び反射される。たとえば、垂直に偏光した放射
は、Ｂにおける焦点に向けられる。

二つの垂直な放射成分が進む光路長の差は、ビ
ームスプリツタ４００及び４１０とプリズム４２
０の相対位置を変えることにより調整できる。た
とえば、位置Ｂ及びＣは拡大率Ｍをもつフオトリ
ソグラフイレンズ３０６が、位置Ｂからの放射
を、ウエハ表面上ｑ＝2fの距離における点Ｄの実
焦点に向け、位置Ｃからの放射を、ウエハ表面下
ｑ＝−2fの距離における点Ｅの虚焦点に向けられ
るように選択される。典型的な場合、二つの垂直
な放射成分が進む光学路長の差は、12cm程度であ
り、フオトリソグラフイレンズ３０６は約10の拡
大率Ｍをもち、フレネル・ゾーンプレート３１は
約300μの焦点距離をもつ。

ウエハに傾きがない場合及びレジスト厚に不均
一さがない場合、ゾーンプレートは実像及び虚像
Ｒ及びＶを形成し、それらはそれぞれＤ及びＥと
ほとんど一致する。（このことはレンズの方程式
を、対物レンズが位置合わせマークからそれぞれ
＋2f及び−2fにあり、焦点距離が＋ｆ及び−ｆで
あるこの配置に適用することにより、容易に理解
される。入射放射から位置合わせマークにより形
成される高次の実像及び虚像は、第２図に示され
た本発明の実施例では用いられない）実際には、
入射及び反射放射を分離するため、第２図に示さ
れた本発明の実施例において、ナイフエツジが用
いられるため、位置Ｄ及びＥはともに第２図の平
面からわずかに上（下）にずれ、Ｒ及びＶはとも
に第２図の平面からわずかに下（上）にずれる。
レンズ３０６及び光学手段３０５を通過した後、
ナイフエツジ３１２及びレンズ３１３はＲ及びＶ
からの放射を、検出器３１０の表面３１１上に投
影し、一対の投影像R′及びV′を形成するために
用いられる。局部的なウエハの傾き及び不均一な
レジスト厚が無い場合、R′及びV′は一致する。
この理由は局部的なウエハの傾き及び不均一なレ
ジスト厚がない場合、Ｒ及びＶは同軸上にあり、
横方向のずれがないためである。R′及びV′が投
影像のそれぞれに対しあらかじめ決められた位置
Ｐと一致した時、位置合わせが達成される。

局部的なウエハの傾き又は不均一なフオトレジ
スト厚の一方又は両方が存在する場合、第２図の
位置合わせマーク３１により形成された実像及び
R₁及びV₁は、局部的なウエハの傾きや不均一な
レジスト厚が存在しない時Ｒ及びＶが占める位置
から、反対方向に等しくずれる。この場合、表面
３１１上の投影像R₁及びV₁は、それぞれR₁′及び
V₁′の位置を占める。位置合わせはR₁′及びV₁′が、
あらかじめ選択された位置Ｐから、反対方向に等
しくずれた時達成される。もし位置合わせ条件が
満されなければ、比較回路５１０からの信号は、
微動器５２０が半導体ウエハののつた可動テーブ
ル５００を、位置合わせ条件が満される位置にウ
エハがくるまで移動させるようにする。

第２図に示された本発明の実施例において、
R₁′及びV₁′は検出器表面付近での干渉効果を防止
するため、垂直偏光状態をもつ放射により形成さ
れることに注意すべきである。あるいは、干渉効
果は実像R₁及び虚像V₁を形成するため、二つの
周波数の異なる放射を用いることによつても防止
できる。

最後に、上に述べた装置及びプロセスは本発明
の原理を実施するために考えられる多くの可能な
具体例を単に説明するためだけのものであること
を認識すべきである。請求範囲の精神及び視野を
離れることなく、当業者にはこれらの原理に従い
多くの装置が考案されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に従う半導体ウエハの
位置合わせ装置及び方法を概略的に示す図、第２
図は本発明の別の実施例に従う半導体ウエハの別
の位置合わせ装置を概略的に示す図である。〔主要部分の符号の説明〕、検出手段……２６、
像……Ｒ，Ｖ、像形成手段……１３、像の対の投
影された位置……V′，R′、あらかじめ選択され
た位置……Ｐ、二焦点レンズ……２５、入射放射
を像形成手段上に向ける手段……２０、応答する
手段……１３、第２の投影像を形成するための手
段……２５、第２の投影像……V′，R′、移動手
段……１３，２８、比較回路手段……２８、位置
検出手段……２６。

Claims

【特許請求の範囲】１半導体ウエハの位置合わせ方法であつて、半
導体ウエハ表面上の像形成手段（例えば１３）を
入射放射（例えば２２）で照明して垂直方向にず
れた少なくとも一対の結像（例えばＲ，Ｖ）を形
成し、検出手段上に該垂直方向にずれた一対の結像の
投影像R′，V′を形成し、及び該検出手段上における該一対の結像の投影像
R′，V′各々の基準位置（例えばＰ）までの距離
が該一対の結像各々の該半導体ウエハ表面までの
距離に比例するよう該半導体ウエハを移動させる
ことからなる半導体ウエハの位置合わせ方法。２特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
て、前記垂直方向にずれた結像Ｖ，Ｒは同じ次数の
実像と虚像であり、該ウエハは該実像と虚像の投
影像の位置がそれぞれ該基準位置Ｐから等しくず
れるように移動されることを特徴とする半導体ウ
エハの位置合せ方法。３特許請求の範囲第２項に記載の方法におい
て、前記実像と虚像は第１と第２の別個の光検出手
段からなる位置検出手段上に投影され、該第１の光検出手段上に形成されたものを第１
の投影像そして該第２の光検出手段上に形成され
たものを第２の投影像とするとき、該第１の光検
出手段上の一点が該第１の投影像に関し該基準位
置とされそして該第２の光検出手段上の一点が該
第２の投影像に関し該基準位置とされていること
を特徴とする半導体ウエハの位置合せ方法。４特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
て、前記一対の結像を該検出手段の平面上に同時に
結像する２焦点レンズ２５を用いていることを特
徴とする半導体ウエハの位置合せ方法。５特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
て、前記像形成手段はフレネル・ゾーンプレートか
らなることを特徴とする半導体ウエハの位置合せ
方法。６半導体ウエハの位置合せ装置において、入射放射で照明されたときウエハの表面から第
１の所与の距離だけ離れた位置に第１の結像とウ
エハの表面から第２の所与の距離だけ離れた位置
に第２の結像を少なくとも形成するためのウエハ
表面上に置かれた像形成手段（例えば１３）、該第１と第２の結像を形成するために該像形成
手段に入射放射をあてる手段（例えば２０）、位
置検出手段（例えば２６）、第１の投影像を形成するために該位置検出手段
上に該第１の結像を投影し、第２の投影像を形成
するために該位置検出手段上に該第２の結像を投
影する手段（例えば２５）、及び該位置検出手段の位置検出結果に応じてウエハ
を移動させる手段（例えば２９）とからなり、該位置検出手段は該第１と第２の投影像の位置
を指示するものであり、該移動手段は該第１と第
２の投影像がそれぞれ該第１と第２の所与の距離
に比例する量だけ基準位置からずれるようウエハ
を移動するものである半導体ウエハの位置合せ装
置。７特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
て、前記第１と第２の結像はそれぞれ１次の実像
と虚像であり、そして該投影手段は２焦点レンズ
であることを特徴とする半導体ウエハの位置合せ
装置。８特許請求の範囲第７項に記載の装置におい
て、前記位置検出手段は該実像と虚像が該第１と
第２の投影像をその上に形成する単一の光検出器
からなり、該単一の光検出器の同じ位置が該第１と第２の
投影像の各々に関し該基準位置とされていること
を特徴とする半導体ウエハの位置合せ装置。９特許請求の範囲第７項に記載の装置におい
て、前記位置検出手段は該実像と虚像とがそれぞ
れ該第１と第２の投影像を形成するようその上に
投影される第１と第２の別個の光検出手段からな
り、該第１の光検出手段上の一点が該第１の投影像
に関し該基準位置とされそして該第２の光検出手
段上の一点が該第２の投影像に関し該基準位置と
されていることを特徴とする半導体ウエハの位置
合せ装置。