JPH0274805A - 位置合わせ装置 - 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】 （産業−にの利用分野） 本発明は位置合わせ装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マス
ク」という。）等の第１物体面上に形成されている微細
な電子回路パターンをウェハ等の第２物体面上に露光転
写する際にマスクとウェハとの相対的な位置決め（アラ
イメント）を行う場合に好適な位置合わせ装置に関する
ものである。

（従来の技術） 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスクと
ウェハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重要
な一要素となっている。特に最近の露光装置における位
置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、例
えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するものが
要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウェハ而
−１に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設け
、それらより得られる位置情報を利用して、双方のアラ
イメントを行っている。このときのアライメント方法と
しては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量を
画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許第
４０３７９６９号や特開昭５６−１５７０３３号公報で
提案されているようにアライメントパターンとしてゾー
ンプレートを用い藷ゾーンプレートに光束を照射し、こ
のときゾーンプレートから射出した光束の所定面上にお
ける集光点位置を検出すること等により行っている。

般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、単
なるアライメントパターンを用いた方法に比べてアライ
メントパターンの欠損に影響されずに比較的高精度のア
ライメントが出来る特長かある。

第１１図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ
装置の概略図である。

同図に、おいて光源７２から射出した平行光束はハーフ
ミラ−７４を通過後、集光レンズ７６で集光点７８に集
光された後、マスク６８面上のマスクアライメントパタ
ーン６８ａ及び支持台６２にａ置したウェハ６０面上の
ウェハアライメントパターン６０ａを照射する。これら
のアライメントパターン６８ａ、６０ａは反射型のゾー
ンプレートより構成され、各々集光点７８を含む光軸と
直交する平面上に集光点を形成する。このときの平面上
の集光点位置のずれ量を集光レンズ７６とレンズ８０に
より検出面８２上に導光して検出している。

そして検出器８２からの出力信号に基づいて制御回路８
４により駆動回路６４を駆動させてマスク６８をウェハ
６０の相対的な位置決めを行っている。

第１２図は第１１図に示したマスクアライメントパター
ン６８ａとウェハアライメントパターン６０ａからの光
束の結像関係を示した説明図である。

同図において集光点７８から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン６８ａよりその一部の光束か回折し、
集光点７８近傍にマスク位置を示す集光点７８ａを形成
する。又、その他の一部の光束はマスク６８を０次透過
光として透過し、波面を変えすにウェハ６０而上のウェ
ハアライメントパターン６０ａに入射する。このとき光
束はウェハアライメントパターン６０ａにより回折され
た後、再びマスク６８を０次透過光として透過し、集光
点７８近傍に集光しウェハ位置をあられす集光点７８ｂ
を形成する。同図においてはウェハ６０により回折され
た光束が集光点を形成する際には、マスク６８は単なる
素通し状態としての作用をする。

このようにして形成されたウェハアライメントパターン
６０ａによる集光点７８ｂの位置は、ウェハ６０のマス
ク６８に対するずれ量Δσに応じて集光点７８を含む光
軸と直交する平面に沿って該ずれ量Δσに対応した量の
ずれ量Δσ′として形成される。

このような方法においては、マスク面や半導体露光装置
内のマスクホルダー而等の基準面、そして露光装置の接
地面等に対してウェハ面が傾斜しているとセンサ上に入
射する光束の重心位置か変化し、アライメント誤差とな
ってくる。

般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を設定
することは他のアライメント誤差要因、例えばウェハ面
のそりやたわみ等を有する傾斜、レジストの塗布ムラに
よる光束の重心位置の変動、アライメント光源の発振波
長、発振出力、光束出射角の変動、センサ特性の変動、
そしてアライメントヘット位置の繰り返しによる変動等
により、その原点の設定を高精度に行うのが大変難しく
なるという問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はマスク等の第１物体とウェハ等の第２物体の位
置合わせを行う際のずれ量検出の際の誤差要因を取り除
く手段として、第１信号光としてのアライメント光束に
加え第２信号光としてのアライメント光束を第１信号光
と異った次数の回折光により形成し、これらの第１．第
２信号光を利用することにより、高精度な位置合わせを
可能とした位置合わせ装置の提供を特徴とする特に本発
明では、第２信号光束のウニへ面の傾斜に対するセンサ
上での重心移動の作用が第１信号光束と全く等しくなる
ようにし、又、アライメントヘットの位置の変動に対し
ても第２信号光束か第１信号光束と全く等しい重心移動
の作用を受けるように設定し、これにより第２信号光束
と第１信号光束のセンサ」二での相対的な位置の変動が
原理的にマスクとウェハとの位置ずれのみに依存するよ
うにし、高精度な位置合わせを可能とした位置合わせ装
置の提供を目的としている。

（問題点を解決するための手段） 第１物体と第２物体とを対向させて相対的な位置決めを
行う際、該第１物体面上に第１物理光学素子を形成し、
該第２物体面上に同じく第２物理光学素子を形成し、該
第１物理光学素子に光を入射させたときに生ずる回折光
を該第２物理光学素子に入射させ、該第２物理光学素子
により所定面−トに生ずる回折パターンの光量分布を検
出手段により検出することにより、該第１物体と該第２
物体との相対的な位置決めを行う際、該第１．第２物理
光学素ｆは該回折光に対し、異った次数の組み合わせに
より凸凹系及び凹凸系を同時に構成するように設定され
ていることである。

即ち本発明は第１物理光学素子として第１゜第２信号光
束を異った次数で回折するような第１アライメントマー
クより形成し、又第２物理光学素子として第１．第２信
号光束を異った次数で回折するような第２アライメント
マークより形成し、該第１アライメントマークに光束を
入射させ、このとき生じる回折光を第２アライメントマ
ークに入射させ、該第２アライメントマークからの第１
．第２信号光束の２つの回折光の光束重心を各々検出手
段である第１．第２検出部にて検出し、該第１．第２検
出部からの出力信号を利用して第１物体と第２物体との
位置決めを行う際、該第１検出部に入射する光束の重心
位置と第２検出部に入射する光束の重心位置が第１物体
と第２物体との位置ずれ方向に対して互いに逆方向に変
位するように該第１．第２アライメントマークを設定し
ていることを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の位置合わせ装置の光学的な原理を示す
一実施例の要部概略図である。同図において１．２は各
々相対的な位置ずれを検出する為の第１物体と第２物体
、３，４は各々第１物体１と第２物体２に設けた第１物
理光学素子と第２物理光学素子である。

本実施例では光源８からの光束を投光レンズ系９で平行
光束として第１物体１に設けた第アライメントマークと
じてに第１物理光学素子３（以下「第１アライメントマ
ーク」ともいう。）に入射させている。第１物理光学素
子３は１次元又は２次元のレンズ作用のある物理光学素
子としての機能を有したフレネルゾーンプレートやグレ
ーティングレンズ等である。第１物理光学素子３からの
第１．第２信号光束とする異った次数の２つの回折光は
第２物体２に設けられた第２アライメントマークとして
の第２物理光学素子４（以下「第２アライメントマーク
」ともいう、）に入射している。

尚、第２物理光学素子４は第１物理光学素子３と同様の
光学性質を有している。第２物理光学素子４から射出し
た第１．第２信号光束となる異った次数の２つの回折光
６．７は第１．第２検出部５ａ、５ｂを有する検出手段
５に導光されている。

今、第２物体２から検出手段５までの光学的な距離なＬ
、第１物体１と第２物体２との距離（ギャップ）をｇ、
第１．第２アライメントマーク３．４の焦点距離を各々
±ｆＭ、±ｆｗとする。第１物体１と第２物体２との相
対的な位置のずれ量をεとし、このときの第１．第２信
号光束６．７の光束重心の第１．第２物体の合致状態か
らの変位量を各々Ｓｔ、Ｓ２とする。又第１物体ｌに入
射する光束は便宜上平面波とし、符号は同図に示す如く
用いるものとする。

第１．第２信号光束６．７の光束重心の変位量Ｓｌ、Ｓ
ｌは第１アライメントマーク３の焦点ＦＭ、Ｆ′Ｍと第
２アライメントマーク４の光軸中心を結び直線と検出手
段５を面との交点として幾何学的に求めることができる
。

従って第１物体１と第２物体２との相対位置ずれに対し
て各信号光束の光束重心の変位１ｌｓ１゜８２が互いに
逆方向となるように設定する為には第１．第２アライメ
ントマークの屈折力配置を集光と発散より成る所謂凸凹
系及び発散と集光より成る所謂凹凸系の組み合わせを行
なうことで達成することができる。

次に該凸凹系と該凹凸系の２系統を式を用いて説明する
。

いま、第１アライメントマーク３と第２アライメントマ
ーク４における屈折力配置が凸凹系の場合は変位量Ｓ１
は 凹凸系の場合は変位量Ｓ２は となる。ここで ｆＭ＜＜ｂｌ、ｆ、　＞＞ｇ すなわち検出位置が遠く、ギャップｇが狭い状態では Ｓｌ　　　与−□　・Ｃ １Ｍ Ｓｌ　　絢　　　　　　　・Ｃ ［Ｍ となり、逆向きに同量だけ光束重心であるスポット位置
が移動する。

一般には凸凹系、凹凸系では倍率か少し異なるが、位置
合わせを行うには検出手段５面上のスポット位置の差Δ
５＝３２−３ｌを評価すればよい。その時の移動量の差
ΔＳは次のように表わされる。

ｂｌ　　− −ｇ＋イＭ　−ｆＷ ここでｆ　Ｍ　＜　＜　ｂ　１、ｆＭ＞＞ｇの条件では
ΔＳ　押　　２　□　・ε １Ｍ となり、凸凹系、凹凸系のどちらか一方の茶を用いた場
合の２倍の感度を得ることができる。

又、第２アライメントマーク４が反射型の場合も同様に
求めることができる。即ち第１図の第２アライメントマ
ーク４以降を第２アライメントマーク４に関し対称に折
り返して考えればよい。

次に第２物体２が例えば微少量β傾いた場合について説
明する。

第２アライメントマーク４へから出射する光束は全て反
射の法則に従い角度２β傾く。この傾きに伴なうスポッ
トの移動ｌＳβは距離りが充分大きいとすればＳβ；２
βＬどなる。凸凹系、凹凸系ともに検出手段面上のスポ
ット位置は変化し、その変位量Ｓｌ”、Ｓ２’は Ｓｌ”＝５１＋２βＬ Ｓｌ”＝Ｓ２＋２βＬ となる。このときの移動量の差ΔＳ′はΔＳ’＝Ｓ２”
−５ｌ　　　＝Ｓ２−３１＝ΔＳとなり、移動量の差Δ
Ｓ′は傾きによらず一定となる。

′：ｊｒＪ２図は本発明の第１実施例の要部斜視図であ
る。同図において第１物体１上の第１アライメントマー
ク３及び第２物体−Ｆの第２アライメントマーク４はい
ずれも２次元フレネルゾーンプレートより成っている。

光源８からの光束は投光レンズ９により平行光とされ、
該第１アライメントマーク３を照射している。第１アラ
イメントマーク３で回折された光束はさらに第２アライ
メントマーク４で回折され、凸凹系に対応するものは第
１信号光としての光束６となり凹凸系に対応するものは
第２信号光としての光束７となり、検出手段５上へ入射
する。検出手段５上の光束６と光束７に基づく位置ずれ
信号は処理回路１０を経てコントローラ１１へはいり第
１物体１と第２物体２を所定の位置にくるようステージ
１２を動かし、これにより位置合わせをする系を構成し
ている。

本実施例においては入射光束及び各アライメントマーク
のＯ次透過光束と０次反射光束に沿って光学系を展開し
、入射面と直交する面内の光路は前記第１図と同じ系を
構成しており、検出手段５面上の光束のスポット位置の
変位１ｉｓｔ、Ｓ２は第（１）式と第（２）式で表わさ
れる。

今、第１．第２アライメントマークであるフレネルゾー
ンプレートの±１次回折光の焦点距離±ｆＭ、±ｆｗを
±４００μｍ、ギャップｇ＝３０μｍ、第２物体２から
検出手段５までの距離Ｌ　＝　４００００　μｍとすれ
ば となり、第１．第２物体の位置ずれεの１８５倍の感度
で検出される。

即ち検出手段５の分解能を１μｍとしたとき、０．００
５４μｍの位置ずれが検出されることになる。

又、この時の光束６．７のスポット径は路次のようにな
る。幾何光学的なデフォーカスによる光束６．７の点像
の広がり径を各々φ１．φ２、回折による広がり径を各
々φ１′、φ２′とし、各県に対応して評価すると ｘ　　　４００００　　ε 匈　　−９２６ となる。

従って移動量の差信号ΔＳは ΔＳ　＝５２−５ｌ　　＝　（９３−（−９２））ε−
１８５６−３０÷　４００　−　４００ −６５８［μｍコ −５９７［μｍ］ φＩ　　　−２Ｘ１２２Ｘ　λＸＦＮ。

−８７６［μｍ］ φ２　　・　２ｘ１．２２Ｘ　λｘ　ＦＮ。

８１０　［μｍ］ となる。

以上より第１系としての凸凹系ではスポット径は約９０
０μｍ、第２系としての凹凸系では約８５０μｍとなる
。

両者のスポット径は多少異なるが、それぞれ独立に光量
重心を求める検出系を組めば何んら問題はない。例えば
ＣＣＤアレイセンサーのピッチを充分細かくし、それぞ
れの評価領域を分割して光量重心を求めれば良い。

第３図は本発明の第２実施例の要部斜視図である。本実
施例では第１物体１と第２物体２上の第１．第２アライ
メントマーク３，４の中心がアライメント方向に関し一
致した時に検出手段５面上の光束のスポット位置Ｓｏｌ
、　Ｓ０２か凸凹系と凹凸系で、一定量Ｓ。、たけオフ
セットあるように第１．第２アライメントマーク３．４
を設計している。

第４図は第３図において光路を展開したときの概略図、
第５図（Ａ）は第３図の第１アライメントマークの説明
図、第５図（Ｂ）は第３図の第２アライメントマークの
説明図である。

第２実施例における第１物体１上の第１アライメントマ
ーク３は第５図（Ａ）に示すように第１実施例と同一で
あるが第２物体２上の第２アライメントマーク４は第５
図（Ｂ）に示すようにオフセット量に対応し偏心してい
る。このアライメントマーク４は凸レンズとして作用す
る場合と凹レンズとして作用する場合とでは光束の偏向
する方向が第４図に示すように逆になる。

検出−Ｌ段５面Ｆのスポット位置と第１物体１、第２物
体２の位置ずれ１ｉεとは次の式で表わされる スポット位置の差ΔＳは Δ５＝Ｓ２−５ｌ となり、これより求まった信号ΔＳからオフセット分Ｓ
。ｆ、を差し引けば位置ずれεに比例した信号を得るこ
とができる。

このようなオフセットを設けたことにより０次透過光と
０次反射光と測定光束とが検出手段５而トで分離でき、
信号処理が容易となる。

第６図は本発明の第３実施例の要部斜視図である。本実
施例は半導体焼付装置に適用した場合を示している。同
図においては第１物体としてのマスク１而トに入射用の
第１アライメントマーク３と射出用のアライメントマー
ク１３を設け、第２物体としてのウニへ２而１に第２ア
ライメントマーク４を設けている。そして第２アライメ
ントマーク４からの光束を略接先方向へ返すことによっ
て一つのピックアップヘットで投受光できるようにして
いる。

本実施例では１１η記第２実施例とウェハ上の第２アラ
イメントマーク４までは全く同じ構成であるが、ウェハ
上の第２アライメントマーク４の出射後の光束をマスク
面上のアライメントマーク１３を形成する直線格子で検
出手段５の方向へ折り曲げるように光学系を構成してい
る点が異っている。

マスク１及びウェハ２の位置ずれに関する感度及びウェ
ハ２の傾きに対する影箭は略同等である。

第７図は本発明の第４実施例の要部斜視図である。本実
施例では第１．第２アライメントマーク３．４とから成
る凸凹系と凹凸系によるアライメント光束６．７をアラ
イメント方向であるＸ方向と直交方向にずらした２つの
検出手段５１．５２で別々に受光する系を構成している
。

本実施例では前記第２及び第３実施例とアライメント方
向に関しては同様であるがアライメントと直交方向では
２つの系で受光部の違いの分だけ異なっている。すなわ
ち第１物体としてのマスク１、及び第２物体としてのウ
ェハ２の位置ずれの感度は同等であり、ウェハ２の傾き
に対する影響も２系統のずれが小さければ同等である。

第８図（Ａ）　、　ＣＢ）に第１．第２アライメントマ
ークの例、第９図に検出手段５１．５２面上の光束の分
布状態を示す。第９図に示すように本実施例に右いては
着目した次数の組み合わせによる光束のみが検出手段５
１．５２にはいり、これによりセンサー処理が容易とな
る。

第１０図は第７図の第４実施例の位置合わせ装置をプロ
キシミラィー型の半導体製造用の露光装置に通用したと
きの要部概略図である。同図においては全体構成を投光
系及び受光系を中心断面で示している。これらの投受光
系はアライメント光源８、投光レンズ９、投射ミラー１
７及び検出手段５１，５２、そして処理回路１０１，１
０２を−・株化したごツクアップヘッド１６に納められ
、全体を不図示のステージによりアライメントマーク位
置へ移動可能な構成をとっている。ピックアップヘッド
１６より投射されたアライメント光束はマスクホルダー
１５で支持されたマスク１上の第１アライメントマーク
３で回折され、ウェハステージ１２で支持されたウェハ
２上の第２アライメントマーク４で回折され、さらにマ
スク１面上の出射用のアライメントマーク１３で回折さ
れ、再びピックアップヘッド１６へはいり検出手段５１
．５２で受光される。検出手段５１．５２で受光された
スポット情報は処理回路１０１゜１０２を経て露光シス
テムコントローラー１４でマスク１とウェハ２のアライ
メント情報として認識される。ここでウェハステージを
最適位置へと移動し露光する為にステージコントローラ
ー１１へ移動信号が送られ、ウェハステージ１２を移動
する。

アライメントが完γすればＥで示される露光領域へ露光
ビームか投射され焼付が完了する。この時アライメント
光は斜設光、斜受光系を構成しており退避動作を必要と
しない。

（発明の効果） 本発明によれば航速の光学的性質を有する第１．第２ア
ライメントマークを各々第１．第２物体面１〕に設け、
異った次数の２系統の屈折力配置を設定し、各々のアラ
イメントマークを介した光束を利用し、第１物体と第２
物体の互いのずれ倍率を逆符号として検出することによ
り、第１物体としてのマスクと第２物体としてのウェハ
の位置合わせを行う際、次のような効果が得られる。

（イ）ウェハ面が傾斜するか、或はレジストの塗布むら
や、露光プロセス中に生じるそりなどのローカルな傾き
等によってアライメント光の重心位置が変動しても２つ
のアライメント信号光との相対的な重心位置検知を行う
ことにより、ウェハ面の傾斜に左右されずに正確に位置
ずれを検出することができる。

（ロ）アライメントヘットの位置がマスクに対して相対
的に変動した為に、アライメント信号光のセンサ七の重
心位置が変動しても２つのアライメント信号光の相対的
な重心位置検知を行うことにより、アライメントヘッド
の位置ずれに左右されずに正確にマスク−ウェハ間の位
置ずれを検出することができる。

（Ａ）同一のアライメントマークで２系統の系を構成し
、総合倍率を効果的に得ることができ、約２倍の感度の
アライメント信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位置合わせ装置の光学的原理の説明図
、第２．第３．第６．第７図は順に本発明の第１．第２
．第３．第４実施例の要部斜視図、第４図は第３図の光
学系の展開図、第５図（Ａ）　、　（Ｂ）は第３図の第
１．第２アライメントマークの説明図、第８図（Ａ）　
、　（Ｂ）は第７図の第１、第２アライメントマークの
説明図、第９図は第７図の検出手段面上における光束分
布の説明図、第１０図は第７図の第４実施例をプロキシ
ミティ型の半導体製造用の露光装置に適用したときの概
略図、第１１．第１２図は各々従来のゾーンプレートを
用いた位置合わせ装置の説明図である。 図中、１は第１物体、２は第２物体、３は第１物理光学
素子、４は第２物理光学素子、５゜５１．５２は検出手
段、６は第１信号光、７は第２信号光、８は光源、９は
投光レンズ、１０゜１０ａ、１０ｂ、１０１，１０２は
処理回路、１工はコントローラ、１２はステージ、工３
は出射用アライメントマーク、１４は露光システムコン
トローラー１４．１５はマスクチャック、１６はピック
アップヘッドである。 弔 ？ 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体と第２物体とを対向させて相対的な位置
   決めを行う際、該第１物体面上に第１物理光学素子を形
   成し、該第２物体面上に同じく第２物理光学素子を形成
   し、該第１物理光学素子に光を入射させたときに生ずる
   回折光を該第２物理光学素子に入射させ、該第２物理光
   学素子により所定面上に生ずる回折パターンの光量分布
   を検出手段により検出することにより、該第１物体と該
   第２物体との相対的な位置決めを行う際、該第１、第２
   物理光学素子は該回折光に対し、異った次数の組み合わ
   せにより凸凹系及び凹凸系を同時に構成するように設定
   されていることを特徴とする位置合わせ装置。
2. （２）前記第１、第２物理光学素子による凸凹系及び凹
   凸系によって形成された所定面上の回折光のスポット位
   置の差を演算する演算手段を有していることを特徴とす
   る請求項１記載の位置合わせ装置。