JPH02188907A - 面位置検出装置 - 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】 （ａ１上の利用分野） 本発明は被［′ｎ面の基準面からの位置ずれ量（隔り量
）を検出する面位置検出装置に関し、例えば半導体製造
の分野における縮少投影型の露光装置においてウェハ表
面とレチクルパターンの投影結像面との位置ずれを検出
する自動制御装置として用いる場合に好適なものである
。

（従来の技術） 従来より半導体製造用の縮少投影型の露光装置において
高解像力を維持する為にはクエへ面上にレチクルパター
ンを高精度に投影させる必要がある、この為にはウェハ
面状態を高精度に検出することが重要となってくる。

第２図は従来の面位置検出装置を備えた縮少投影型の露
光装置の要部概略図である。

同図において１は縮少型の投影レンズであり、不図示の
レチクルパターンをウェハ２面上に投影している。又ウ
ェハ２は上下方向及び傾きが副書可能なステージ３にＪ
ｉｌ！されている。５は結像レンズでありレーザやＬＥ
Ｄ等の光源４の光源像をミラー５を介してウェハ２面上
のチップ中心である反射点２ａに結像している。

ウェハ２で反射した光束はミラー７で反射し、結像レン
ズ８によりポジションセンサー９面上に入射し光源像を
結像している。

同図に示す面位置検出装置においてはウェハ２面上の光
束の反射点２ａとポジションセンサー９上の入射点９ａ
とを結像関係となるようにし、ウェハ２の上下方向の位
置ずれ量をポジションセンサー９上の光束の入射位置よ
り検出している。

この面位置検出装置ではウェハ２面上のチップ中心の一
点しか検出できない。

これに対してチップ中心以外の位置情報を検出する方法
としてウェハ面の傾きを所謂第３図に示すようなコリメ
ータ方式を用いた装置により行う方法がある。

第３図に示すコリメータ方式の装置においては光源４か
らの光束をフーリエ変換レンズｌＯ及びミラー６を介し
、ウェハ２面上のチップ全面に平行光束を入射させ、そ
れからの反射光束をミラー７及びフーリエ変換レンズ１
１を介して光源４の光源像をポジションセンサ９上に結
像させている。このように同図においてはウェハ面２を
瞳としてウェハ２の傾きをポジションセンサ９面上の光
源像の位置ずれとして検出している。

これよりチップ中心の上下方向の位置ずれ量ΔＺとチッ
プ全体を観測面とした傾き八〇を検出し、ステージ３を
上下方向にΔＺ移動させ、又角度Δθだけ傾きを補正し
てウェハ２の表面とレチクルパターンの投影結像面とを
一致させていた。

（発明が解決しようとする問題点） 第２図に示す面位置検出装置ではウェハ面上のチップ中
心の一点しか検出できない為ウェハ面の局所的な形状変
化に大きく影響され、検出精度及び安定性が低いという
問題点があった。

又第３図に示すコリメータ方式を用いた面位置検出装置
では、例えばウェハ面が第４図（Ａ）に示すような形状
であればチップ中心の上下方向をレチクルパターンの投
影結像面に合わせウニへの傾きを補正すればウェハ面と
レチクルパターンの投影結像面を一致させることができ
る。

しかしながらウェハ表面が第４図（Ｂ）に示すようなチ
ップ中心に対して偶関数の形状の場合もある。この場合
にはレチクルパターンの投影結像面の設定としては位置
ずれ量を上下方向に振り分けることができるから、例え
ば第４図（］のようにウウェハ面の位置を補正した方が
良いが、般にはウェハ表面の傾きを検出することができ
ない為第４図（Ｂ）の状態でウェハ表面とレチクルパタ
ーンの投影結像面が一致したものと見なしてしまうとい
う問題点があった。

この他コリメータ方式の装置においてはチップ面内の反
射率の分布が検出精度に大きく影響する為傾きの検出誤
差が生じやすいという問題点があった。

本発明は被観測面（ウェハ面）の局所的な形状変化や局
所的な反射率変化があっても高精度にしかも高い安定性
をもって面位置の状態を検出することのできる、例えば
半導体製造用の露光装置に好適な面位置検出装置の提供
を目的とする。

（問題点を解決する為の手段） 格子状パターンＧ１を基準面と被観測面に投影させる投
影手段と該基準面と被観測面から反射される該格子状パ
ターンＧｌの像を該格子状パターンＧ１のピッチと異な
るピッチの格子状パターン６２面上に結像させる第１結
像手段と誤格子状パターン６２面上に形成されるモアレ
縞を検出面上に結像させる第２結像手段と該格子状パタ
ーンＧｌを該基準面と該被観測面に投影したときに該検
出面上で得られるモアレ縞の基本周期の位相Ｐ１．Ｐ２
を各々検出する検出手段と該位相Ｐ１．Ｐ２との位相差
から該基準面と該被観測面との位置ずれを求める演算手
段とを有していることである。

特に本発明では前記被観測面を複数の領域に分割し、該
被観察面に基づくモアレ縞の基本周期の位相Ｐ２と該基
準面に基づく該位相Ｐ１どの位相差を各領域毎に求め該
基準面と各領域毎の位置ずれを求めたことを特徴として
いる。

（実施例） 第１図は本発明の面位置検出装置を半導体製造用の縮少
投影型の露光装置に適用したときの第１実施例の要部概
略図である。

同図においてｌは縮少型の投影レンズであり不図示のレ
チクルパターンを被観測面であるウェハ２面上に縮少投
影している。３はステージでありウェハ２と基準面２７
とを載置しており、ステージドライバ２５により水平方
向（Ｘ方向）と上下方向（２方向）及び傾き方向に駆動
制御されている。

２０は照明装置であり、回折格子より成る格子状パター
ンＧｌを角度θ方向から照明している。

格子状パターンＧｌは例えば第５図（Ａ）に示すような
とッチＬｌの透過型回折格子より成っており、その大き
さはＬｘｘＬマであり、この大きさはウェハ２面上の観
察領域に相当している。２１は第１結像レンズであり格
子状パターンＧ１を基準面２７及びウェハ２面上にステ
ージ３の水平駆動に伴い順次θ方向から投影結像してい
る。２２は第２結像レンズであり基準面２７及びウェハ
２面から反射されてくる格子状パターンＧｌの像を該格
子状パターンＧｌのピッチＬｌと異なるピッチＬ２を有
する第５図（Ｂ）に示すような透過型回折格子より成る
格子状パターンＧ２面上に結像させている。

２３は第３結像レンズであり、格子状パターン６２面上
に形成される、例えば第５図（Ｃ）に示すようなそアレ
縞をＣＣＤ等から成る検出手段２４の検出面２４ａ上に
結像している。

２６は演算手段であり、検出手段２４からのモアレ縞の
基本周期の位相に基づく出力信号を利用して所定の演算
即ち基準面２７とウェハ面２との位置ずれ環を求め、そ
の演算結果に基づく信号をステージドライバ２５に送出
している。

本実施例においては第１結像レンズ２１の投影結像面と
第２結像レンズ２２の物体面そして投影レンズ１による
レチクルパターンの投影結像面が互いに一致するように
構成している。

次に本実施例において基準面２７に対する被観測面であ
るウェハ面のＺ方向の位置ずれ量を求める方法について
示す。

尚、簡単のろに第１．第２．第３結像レンズ２１．２２
．２３の結像倍率を１とし、又格子状パターンＧ１．Ｇ
２のピッチＬ１％Ｌ２と格子状パターンＧｌのＸ方向の
長さＬ８との間には１　／Ｌ２−１　／Ｌｌ・５／Ｌ８
・・・・・・・・・・・・・・（りなる関係があるもの
とする。

格子状パターンＧ　ｌ−ＥのＸ軸上の１点Ｘ１は。

その共役の位置であるウェーハ表面２の位置でのレチク
ルパターンの投影結像面とウェーハ表面の上下方向のズ
レ量Ｚ　（ＸＩ　、　Ｙ、　）により格子状パターンＧ
２上でのその像はδ（ＸＩ）の位置ズレなおこす、ここ
で位置ずれ量δ（Ｘ、）はδ（Ｘｉ）　＝　２２（ＸＩ
、Ｙ＋）　ｃｏｇ（ａ　）＝・・・（２）となる、した
がって格子状パターンＧ１の透過率分布Ｔ、（Ｘ、Ｙ）
は次のようになる。

Ｔ、（Ｘ、Ｙ）　＝　Ｉ−ｃｏｓ　（−Ｌ」」−一）−
（３）格子状パターンＧ２上の強度分布Ｉｔ　　（Ｘ、
Ｙ）は となる。

また格子状パターンＧ２の透過率分布Ｔ２（ｘ、ｙ）は
次のよう表わせる。

２πＸ Ｔａ（Ｘ、Ｙ）　−１−ｃｏｓ　（−）””・・・・（
５）Ｌ糞 格子状パターンＧｌの像が格子状パターンＧ２を透過し
、ｆ１４３結像レンズ２３を介し、検出手段２４上に結
像されると例えば第５図（Ｃ）に示すようなモアレ縞が
形成される。このモアレ縞の基本の空間周波数は（１）
式より５／Ｌ、である、この周波数近傍だけの強度分布
１．（Ｘ。

Ｙ）は １、（Ｘ、Ｙ） においてのデータを夏（Ｘ ）とすると位相は となる。尚、このようにする為に電気的又は光学的フィ
ルタを通している。

今、Ｙ座標を固定すると（６）式の強度分布は、例えば
第７１３（Ａ）のようになる。

同図において波線は、レチクルパターンの投影結像面と
ウェーハ表面が一致しているときであり、実線か一致し
ていないときを示している。

したがって、例えばクエへ面上の測定領域を５分割にし
て、一致していない時と一致している時の位相差を各々
検知すれば、分割された各領域の平均的な上下位ｎが決
定できる。

位相差を決定するには１分割された領域（Ｘ、（Ｘ　□
　　≦　　Ｘｏ　　　令　−！Ｊ−）となる、従って、
基準面２７を利用し、レチクルパターンの投影結像面と
基準面２７（被検面）が一致している時の位相なあらか
しめ測定しておけば一致していない時の位相を測定する
ことにより位相差が決定できる。また、レチクルパター
ンの投影結像面の位置は予め定められた設計値により決
まっており、この位ｔに基準面を位こづければよい、仮
に、装置の周囲の気圧変動や投影レンズの温度変化によ
り投影結像面の位ｔが変動する時は、気圧センサや露光
量計測などにより周知の方法でその時の像面位置を決定
したり、また周知の投影レンズを介した光ビームによる
面位置検知方法を用いて現在の像面位置に基準面２７を
位置付ければよい。

今その位相差Δφを第７図（Ｂ）に示す。

位相差と上下方向（Ｚ方向）の位置ずれ量Ｚ（Ｘ、Ｙ）
の関係は（２）式より次のようになる。

ここでＸ、Ｙは分割した各領域における代表点である。

以上のようにして基準面に対するウニ八表面の各領域に
おける位置ずれ量を求めることができる。

本実施例においてＹ座標を変化させれば観測面全体につ
いての位置ずれ量を求めることができる。

又、（７）式より求められる位置ずれｆｆ１Ｚ（Ｘ、Ｙ
）はその値が分割された１つの領域全体の平均であるた
めウェーハに形成された回路パターンの局所的変動に左
右されない、また観測面をいくつかに分割して面位置を
検出しているので観測面の局所的な反射率の変動にも影
響されない、更にモアレ縞を利用しているので、面位置
の変動による像ずれ量を増大しているので検出感度が高
いという特長を有している。

そして本実施例においては第５図（Ｃ）に示すようなモ
アレ縞の位相を分割した各領域毎に読み取ることにより
、ウニ八表面の複数領域における上下方向の位置ずれ量
Ｚ　（Ｘｌ　、　Ｙｒ　）を第８図に示すようにして得
ている。

又本実施例においては一般に（Ｘ、Ｙ）面に対して小さ
く変位した平面については Ｚ（Ｘ１、ＹＪ）−ＡＸ＋＋ＢＹｔ＋Ｃとかける。

そこで１次式で求められる値Ｅ を最小にするＡ、Ｂ、Ｃを決定して現状のウェーハ表面
を平面近似し、その平面と基準平面との隔り量をステー
ジ３の上下方向と傾き方向に駆！１１制御することによ
りて補正している。

第９図は本発明の面位置検出装置を第１図の第ｌ実施例
と同様に半導体製造用の縮少投影型の露光装置に適用し
たときの第２実施例の要部概略図である。

第１図の第１実施例では結像関係のフォーカス許容度の
為、格子状パターンＧ１とウェハ２とを光軸に対して略
垂直な平面内に配置している。

これに対して本実施例では格子状パターンＧｌａからの
回折光のうち±１次回折光のみを選択し、フォーカス許
容度を増し、これによりウェハを光軸に対して垂直な平
面から外して配置し、光学系全体の小型化を図っている
。

第９図において３０は照明装置であり、格子状パターン
Ｇｌａをコヒーレント光で照明している。３１．３２．
３３．３４は各々フーリエ変換レンズであり、このうち
フーリエ変換レンズ３１．３２そしてフーリエ変換レン
ズ３３．３４は各々再回折光学系９１．９２を構成して
いる。

Ｓ１、Ｓ２はストッパーで所定の回折次数の光束を通過
させており、再回折光学系９１．９２の瞳近傍に配置さ
れている。

３５は結像レンズであり格子状パターンＧ２ａ面上に生
じたモアレ縞を検出手段２４面上に結像している。

本実施例では照明装置３０からコヒーレントな平行光束
を格子状パターンＧｌａに垂直に入射させている。格子
状パターンＧｌａからの射出光束のうち±１次回折光だ
けがフーリエ変換レンズ３１．３２、及びストッパーＳ
ｌから成る再回折光学系９１を通過しミラー６を介しウ
ェーハ面２上に入射される。ウェーへ面２には格子状パ
ターンＧｌａのピッチをＬａとするとＬ　ａ　／　２ｓ
ｉｎθの縞が結像する。

そしてその縞はフーリエ変換レンズ３３．３４及びそし
てストッパーＳ２より成る再回折光学系９２を通過し格
子状パターンＧ２ａ面上に結像される。

ここでストッパー３２は格子状パターンＧｌａの±１次
光近傍の光だけを通るようにして不用光をカットしてい
る。

ウェーハ表面とレチクルパターンの投影結像面が一致し
ているとき、格子状パターンＧ２ａに結像される縞のピ
ッチはＬ　ａ　／　２となる。

今第１実施例の格子状パターンＧｌのピッチＬ、に対し
てＬ　ａ　＝２　Ｌ　ｌ　となるように構成すると検出
手段２４上に結像される備は第１実施例と第２実施例は
同一になり、しかもウェーハ表面の上下方向の変化に対
しても同一になるので面位置検出の処理は第１実施例と
同様になる。

尚以上の実施例においてウェハ面上を複数の領域に分割
して各領域毎の位置ずれ置を求めたが分割せずに単一の
領域として扱い該領域の位置ずれ糧を求めるようにして
も良いことは当然である。

以上の各実施例において光学系の色収差を補正し、照明
光を多色化して使用しても良い、そしてこのとき色光に
よって光学系を分離して構成しても良い。

又、格子状パターンＧ１、Ｇ２のピッチをつ工へ面上の
複数に分割した各領域毎によって各々異ならしめて構成
しても良い。

この他第２実施例においては格子状パターンＧｌの±１
次光をウェハ面上に入射させているがコヒーレントな２
光束を互いに角度を有してウェハ面上に入射させても良
い。

（発明の効果） 本発明によれば被観測面であるウニ八表面を単−又は複
数の領域に分割し、各領域から生ずるモアレ縞を利用し
上下方向の位置ずれ量を検知し、各領域における位置ず
れ量の平均値を求めることにより、ウニ八表面上に形成
されたパターンの局所的変化や局所的な反射率の変化等
に影響されずにウニ八表面上の面位置を基準面に対して
高精度に検出することができる面位置検出装置を達成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１．第９図は本発明を半導体製造用の調歩投影型の露
光装置に適用したときの第１．第２実施例の要部概略図
、第２、第３図は従来の面位置検出装置の要部概略図、
第４図、第６図はウェハ表面とレチクルパターンの投影
結像面との関係の説明図、第５図は本発明に係る格子状
パターンとモアレ縞の説明図、第７図は本発明に係る検
出手段から（りられるモアレ縞の強度分布の説明図、第
８図は本発明において得られるウェハ面上の位置ずれ徂
の説明図である１図中１は投影レンズ、２０．３０．４
は照明装置、Ｇ１．Ｇ２、Ｇｌａ、Ｇ２ａは格子状パタ
ーン、２１．２２．２３は第１、第２、第３結像レンズ
、２４は検出手段、２は被観測面、２７は基準面、３は
ステージ、２５はステージドライバ、２６は演算手段、
９１．９２は再回折光学系、３１．３２．３３．３４は
フーリエ変換レンズ、Ｓ１、Ｓ２はストッパー、３５は
結像レンズである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）格子状パターンＧ１を基準面と被観測面に投影さ
   せる投影手段と該基準面と被観測面から反射される該格
   子状パターンＧ１の像を該格子状パターンＧ１のピッチ
   と異なるピッチの格子状パターンＧ２面上に結像させる
   第１結像手段と該格子状パターンＧ２面上に形成される
   モアレ縞を検出面上に結像させる第２結像手段と該格子
   状パターンＧ１を該基準面と該被観測面に投影したとき
   に該検出面上で得られるモアレ縞の基本周期の位相Ｐ１
   、Ｐ２を各々検出する検出手段と該位相Ｐ１、Ｐ２との
   位相差から該基準面と該被観測面との位置ずれを求める
   演算手段とを有していることを特徴とする面位置検出装
   置。
2. （２）前記被観測面を複数の領域に分割し、該被観察面
   に基づくモアレ縞の基本周期の位相と該基準面に基づく
   該位相Ｐ１との位相差を各領域毎に求め該基準面と各領
   域毎の位置ずれを求めたことを特徴とする請求項１記載
   の面位置検出装置。
3. （３）前記投影手段は前記格子状パターンＧ１を前記基
   準面又は被観測面に投影する際、コヒーレントな２光束
   を異なる角度で入射させていることを特徴とする請求項
   １記載の面位置検出装置。