JPH04102019A - 参照レティクルを用いた２重焦点装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光軸方向に微小間隔隔てて配置された例え
ばマスクとウェハーからなる第１の物体と第２の物体間
の相対位置を正確に検出するための位置検出装置に関す
る。

［従来の技術］ この発明が適用されるＸ線露光装置のアライメント装置
に限定すると、その位置検出方法は大きく次の３つに分
類される。

■パターン計測法 ■フレネル回折法 ■回折格子法 この分類において、この発明は■のパターン計測法に係
るものである。そこで、このパターン計測法について従
来技術を簡単に説明する。

最初にこれまで知られた文献を挙げる。

（１）ｒＸ線露光用位置合わせ法の研究」１９８０年８
月　精密機械　第４６巻第８号Ｐ、Ｐ、８３　〜８８ （２）ｒＸ線露光装置５Ｒ−１のアライメント性能評価
」 １９８５年　精密機械　第５１巻第５号Ｐ、　Ｐ、　１
５６〜１６１ （３）「斜方結像光学系を用いたｘｍｎ光装置用アライ
メントパターン検出法」 １９８９年９月　精密工学誌　Ｐ、　Ｐ、　１３９〜１
４５（４）「色収差２重焦点装置による高精度位置検出
（第１報）」 １９９０年度　精密工学会秋季大会 Ｐ、Ｐ、６６７〜６６８ 上記文献（１）においては、アライメント装置として振
動型光電顕微鏡を検出系に用いる。即ち、第８図におい
て、光電顕微鏡３０の焦点面をＸ線マスク１とウェハー
２に一致させるため、図示しない光電顕微鏡３０の光軸
移動機構により対物レンズ３１を光軸方向に移動させて
、Ｘ線マスク１とウェハー２のアライメントマークを別
々に検出するようになっている。具体的には、先ず光軸
を移動させて対物レンズ３１の焦点面をＸｌａマスクｌ
に一致させ、光電顕微鏡３０内の基準スリット３２とＸ
線マスク１のアライメントマーク拡大像（１０倍）の相
対位置を検出した後、光軸餐移動させてレンズの焦点面
をウェハー２に一致させて基準スリット３２とウェハー
２のアライメントマーク拡大像の相対位置を検出するよ
うにしている。

このシーケンスにより基準スリット３２からのＸ線マス
ク１とウェハー２間の相対位置が計算されるため、Ｘ線
マスク１とウェハ２−間の相対位置が求められる。

この装置の短所は、検出系の光軸を移動するため、光軸
に対して垂直な面内における光軸の移動量が検出誤差と
なってしまうことである。つまり、Ｘ線マスクｌを検出
したときの光軸の位置に対してウェハー２を検出したと
きの光軸の位置が光軸に対して垂直な平面内で（△Ｘ、
△ｙ）μｍ移動したとすると、検出誤差に（ΔＸ、Δｙ
）はその値で加算されてしまう。

問題は、この（ΔＸ、Δｙ）の量であるが、Ｘ線露光装
置が目的としている検出分解能は０、ＯＩＬＬｍ以下で
あり、総合した検出精度も０．０５μｍ以下であること
から、少な（とも（△Ｘ、△ｙ）≦００１μｍを達成し
なければならない。

しかしながら、移動する対物レンズの光軸を０．０１μ
ｍ以下で移動することが極めて困難なものであることは
明らかである。

この例のように、検出部に機械的あるいは電気的な駆動
部をもつことは、０．０１μｍオーダーの位置検出を目
的とする装置においては最低限回避しなければならない
課題を抱えているといえる。

次に、上記文献（２）の装置を第９図に示す。

この例ではアライメントスコープの対物レンズに複屈折
の原理を利用した２重焦点レンズ３３を用いて、Ｘ線マ
スク１とウェハー２のアライメントマークの拡大像を同
時に検出している。

この装置の問題点を次に列挙する。

■通常のレンズと同じ分解能（解像力）をもつコントラ
ストのよい結像を得るためには、通常の対物レンズの２
倍の開口数（Ｎ、Ａ、）が必要となる。

ｂ上記■の２倍の開口数を有する対物レンズを用いるこ
とで、焦点深度は極端に浅くなり、Ｘ線マスクｌおよび
ウェハー２を２つの焦点面内で検出することが困難とな
る。

■Ｘ線マスクｌとウェハー２間のギャップを大きく設定
できない、即ち、複屈折面の屈折力およびレンズの収差
を考慮すると、設計上および製造上２重焦点間を太き（
離すことは極めて困難で、第９図においてはＸ線マスク
１とウェハー２間の距離は１０μｍに設定されている。

■製作に高度の技術と技能を要するので、コストアップ
となる。

このように、この装置では前述した（１）の装置に比べ
て駆動部分が無いのでそれだけ精度は向上するが、さら
に精度を上げるためにはレンズ分解能を上げる必要があ
る。ところが、複屈折の原理を利用しているのでレンズ
分解能が通常の半分以下になってしまうことや、設計・
製造上の点から極めて困難性が多いと云える。

次に、上記（３）の装置を第１０図に示す、この装置で
は、低開口数の対物レンズを使用しＸ線マスク１および
ウェハー２に対して斜め方向から検出することによりＸ
線マスク１とウェハー２とを同時に観察できるようにし
たものである。斜めから検出することにより対物レンズ
３４の焦点深度よりも大きく離れたＸ線マスク１とウェ
ハー２とを同時に観察することができるようにしたもの
である。

この装置の問題点を次に列挙する。

■十分な解像度を得るのには、対物レンズの開口数（Ｎ
、Ａ、）を高くすればよいが、斜方結像のため、ウェハ
ー２とマスク１に対応した十分広いギャップを得ようと
すると、対物レンズ３４の開口数（Ｎ、Ａ、）を低くし
なければならず、解像度とギャップを同時に満足するこ
とができない。

■斜方結像のため、焦点面が極めて狭く、また像ボケの
ため十分広い範囲で結像したマークを検出することがで
きない。

■斜方結像のため、結像パターンが傾斜し、計測誤差と
なる。

■照明光軸と検出光軸の傾斜誤差がそのまま検出誤差と
なる。

これらのことを纏めると、レーリーの式で定義されるレ
ンズの１つの焦点面を傾けることにより、大きく離れた
物体面であるＸ線マスクとウェハーを同時に結像するた
め、解像度およびギャップ設定が互いに干渉してしまい
、両者を同時に満足させることは不可能となっている。

次に、上記（４）の装置の原理を示す光路図をを第１１
図に示す、この装置では対物レンズ３５の軸上色収差を
利用して同一光軸上に２つの焦点面Ｍ、Ｍ′と異なる２
つの波長で結像する１つの結像面Ｂをもつ光学系を実現
している。この２つの焦点面Ｍ、Ｍ′においては、レー
リーの定義式が独立に成立するため、必要なレンズ解像
度をＸ線マスク１とウェハー２間のギャップδとは全く
無関係に自由に選択することができるため、検出光学系
としては理想的である。

また、本件発明者により［色収差を利用した２重焦点検
出装置における複色照明法および帯域光照明法」　（特
願昭６３−２６１３７９号参照）が提案されており、こ
れによればウェハー２面を帯域光で検出することができ
るため、アライメント装置としてもレジスト膜などのウ
ェハープロセスの影響も全く受けないため、非常に有効
な手段である。

この装置の欠点は、設計・製造を含む技術的な問題点は
無いが、開発コストがある程度必要なことである。もし
、極めて安価に一般的な光学部品で計測に必要十分な２
重焦点をもつ光学系が実現することができるのであれば
、これが最良の方法であろう。

［発明が解決しようとする問題点］ このように、Ｘ線露光装置のアライメント装置は種々の
工夫がなされている。そしていずれも検出系に光学系を
使用している。この検出系にレンズを使用するものでは
、第６図に示すように、例えば４０μｍ離れたＸ線マス
ク面ｌとウニへ−面２を対物レンズ３により同時に検出
しようとすると、レンズの開口数Ｎ、Ａ、＝０．４とし
、焦点が合う範囲、即ち、焦、屯深度はレーリーの式か
ら３５μｍであり、４０ｕｍ離れたＸ線マスク面１とウ
ェハー面２を同時に検出することは不可能である。−射
的にレンズの特性は解像度と焦点深度で表わされ、これ
らはレーリーの式、即ち、コ で定義される。

これらの式（１）、（２）から明らかなように、焦点深
度および解像度は波長λを一定とすればレンズの開口数
（Ｎ、Ａ、）で決まってしまう。

第７図に焦点深度と開口数（Ｎ、Ａ、）の関係をグラフ
に示す、このグラフから開口数（Ｎ。

Ａ、）と焦点深度は反比例の関係にあり、解像度を高く
するために開口数を上げると焦点深度が浅くなり、逆に
焦点深度を深くしようとすると開口数（Ｎ、Ａ、）が下
がり、レンズ解像度が低くなってしまうことが分かる。

つまり、第６図において大きく離れたＸ線マスク面１と
ウェハー面２とを同時に検出するためには、焦点深度を
深くしなければならず、開口数（Ｎ、Ａ、）を低く設定
するために、レンズ解像度は大きく低下してしまうこと
になる。

因に、Ｘ線マスク面１とウェハー面２とを同時に検出す
るために、焦点深度を４０ＬＬｍに設定したとすると、
上記（１）式よりＮ、Ａ、＝００８と極めて小さくなり
、解像度は（２）式％式％ 本件発明者の実験によれば、Ｎ、Ａ、≧０．３で０．０
１μｍの検出分解能が得られていることから、上記レー
リーの式（１）、（２）で定義される一般的なレンズを
使用して、Ｘ線マスクとウェハーとを同時に十分な解像
度で検出することは不可能なことである。

この出願の発明は、このような点に鑑みてなされたもの
で、レンズの基本性質を満足した上で、大きく離れたＸ
線マスクとウェハーとを十分な解像度で検出し、両者の
相対位置計測に必要十分な２重焦点光学系を極めて容易
に実現することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明では、光軸方向に微小距離離間した第１の物体
と第２の物体の光軸に直交する方向の相対位置を検出す
る位置検出装置において、第１の物体と第２の物体間の
微小距離に相当し、対物レンズの倍率から決定される厚
みを有し、両面に第１の物体と第２の物体の位置検出に
必要とするマークが形成されている参照レティクルを対
物レンズの２つの結像位置に設けたことを特徴とする参
照レティクルを用いた２重焦点装置である。

また、この発明では、参照レティクルの両面に結像した
第１の物体と第２の物体の像を、さらに拡大するために
参照レティクルの両面に焦点が一致するように２つのリ
レーレンズを光路分岐して配置することを特徴とする参
照レティクルを用いた２重焦や、装置である。

［実　施　例］ 以下、図面に基づいてこの発明の詳細な説明する。第１
図は、参照レティクルを用いた２重焦貞装置の基本構成
を示す光路図である。ギャップδμｍ隔てて配設された
Ｘ線マスク１とウェハ２を対物レンズ１４で同時に検出
するため、対物レンズ１４の右側にハーフミラ−１２を
４５度の角度に光路内に設置し、上からハロゲンランプ
等の白色光源１１からの開明光を反射させ、対物レンズ
１４を介して落射型照明を行う。照明されたＸ線マスク
１上のマスクマーク３とウェハーマーク２の像は、ハー
フミラ−１２を透過し対物レンズ１４により光軸上のＡ
点、Ｂ点に離れて結像される。このＡ点、Ｂ点の間隔は
対物レンズ１４の倍率をＮとするとδ・Ｎ２である。こ
の位置に厚さδ・Ｎ２の平行平面板の参照レチクル１６
を挿入し、左側のＡ点の中央の光軸上にウェハー参照マ
ーク１５を、右側のＢ点の上、下にマスク参照マーク１
７をクロム等のレチクルによって形成する。

したがって、ウェハーマーク２は対物レンズ１４により
Ｎ倍に拡大した像をＡ点に結像し、この像はウェハー参
照マーク１５とともに光軸上に４５度の角度に設けられ
たハーフミラ−１８により下方に反射され、第１リレー
レンズ１９によりラインセンサ２０に結像する。一方、
Ｘ線マスクｌ上のマスクマーク３の像は対物レンズ１４
によりＢ点に結像し、この像はマスク参照マーク１７と
ともにハーフミラ−１８を透過し、第２リレレンズ２１
によりラインセンサ２２に結像することになる。

ラインセンサ２０上に結像されたパターン３０は、第２
図（Ａ）に示すように中央のウェハー参照マーク１５の
像を挟んでウェハーマーク２の像が平行に投影されてい
る。また、ラインセンサ２２上に結像されたパターン３
２は、第３図（Ａ）に示すように中央のマスクマーク３
の像を挟んでマスク参照マーク１７の像が平行に投影さ
れたものである。したがって、これらのラインセンサ２
０，２２によって検出される波形は、第２図（Ｂ）、第
３図（Ｂ）にそれぞれ示す３１３３の波形になる。

ウェハー結像パターン３０においては、ウェハー参照マ
ーク１５とウェハーマーク２間の相対位置αが計測でき
る。また、マスク結像パターン３２においては、マスク
マーク３とマスク参照マーク１７間の相対位置βが計測
できる。

ウェハー参照マーク１５とマスク参照マーク１７は、参
照レティクル１６の両面に形成されているため、両者の
マーク位置関係は一定であることから、マスクマーク３
とウェハーマークｌの相対位置は（α−β）により求め
られる。この相対位置（α−β）は、参照レティクル１
６の光軸方向の移動によっては全く影響を受けることが
ない。参照レティクル１６が光軸に垂直方向に△Ｘだけ
移動したときの相対位置は、 α−β＝（ａ＋△Ｘ）−（β＋△Ｘ） ＝α−β　　　　　　　　　　　　　・・・　（３）で
あり、これも全く影響を受けることがない。

以上の説明から、参照レティクル１６を対物レンズ１４
の結像位置に設けることにより、光軸１９上で別々の位
置Ａ、Ｈに結像したウェハーマークｌとマスクマーク３
の相対位置を計測することが可能になることが分かる。

つまり、第１図に示される光学系は、Ｘ線マスク１とウ
ェハーマーク２に対して各々焦点を持ち、その焦点面と
物体間の光軸に直交する平面内における相対位置を計測
することが可能である。この光学系は、各焦点面で各々
レーリーの式（１）ｉ３よび（２）が成立するため、ギ
ャップδとは全く無関係に必要なレンズ解像度つまり開
口数（Ｎ、Ａ、）を自由に設定することが可能である。

また、白色照明光により、各焦点面の像が結像するため
、ウェハープロセスに対しても全く影響が受けることな
く理想的なものである。さらに、白色照明であるため、
Ｘ線マスク１とウェハマーク２間の多重反射干渉は全く
無く、ギャップδの変動の影響も全く受けることがない
。

さらに、ｘ！Ｊｉ！マスクに対しても、白色で結像する
ため、マスクの厚さおよび屈折率および分光透過率等に
ついても全く制約条件がなく、極めて都合が良い。

したがって、この光学系は、光軸方向に微小路ｌＩｉ離
れた２物体の光軸に直交する方向の相対位置を検出する
ために必要な２つの焦点を持った光学系と云える。また
、コストの点は特別なレンズや光学部品を何ら必要とし
なく、全て市販品で構成することができることから、極
めて安価なものとなる。

参照レティクル１６についても特別な部品でなく平行平
面ガラス板にクロム等を１層または２層蒸着して容易に
極めて安価に形成できる。

次に、上記実施例における詳細な点について補足説明を
行う、第１にハーフミラ−１８と第１゜第２リレーレン
ズ１９．２１の関係である。ハーフミラ−１８は参照レ
ティクル１６からの光路を２分割するものでその反射率
および透過率が５０５０に光量を２等分することが望ま
しい。したがって白色光源１１からの照明光の光量を通
常の落射型顕微鏡の２倍が必要となるが、この光量増加
は白色光源１１の出力アップで容易に対応することが可
能である。また、この光路分岐は、第１、第２リレーレ
ンズの開口数（Ｎ、Ａ、）には全く影響を与えない。

次に、参照レティクル１６について説明する。

参照レティクル１６の両面Ａ、Ｂは対物レンズ１４によ
るウェハーマーク２とＸ線マスク１上のマスクマーク３
の結像面となっているたぬ、反射防止膜をコートするこ
とが望ましい。

また、両面に形成するウェハー参照マーク１５およびマ
スク参照マーク１７は、−Ｍ的な１層クロムあるいは２
層クロムで十分である。

次に、倍率誤差について説明する。対物レンズ１４で結
像するウェハーマーク１およびマスクマーク３の間には
極めて僅かではあるが倍率誤差が生じる。しかしながら
、この倍率誤差は最終的に結像したウェハーパターン３
０とマスクパターン３２を検出するラインセンサ２０，
２２において簡単に補正することができる。具体的には
、ラインセンサ２０，２２で得られた電気信号を量子化
した後、デジタル処理を行う際のスケーリング係数（光
学的な拡大倍率に相当）を調整するだけで良く、前記従
来技術における文献（４）において既に適用されている
方法である。

次に、レンズの解像度について説明する。第１図に示す
光学系において、検出されるウェハーマーク２とＸＩＪ
ｉｌマスク１上のマスクマーク３の光学的な解像度は、
対物レンズ１４の開口数（Ｎ。

Ａ　）により決定される。この開口数は、ウェハーマー
ク２とマスクマーク３間のギャップδには全く無関係に
設定される。

その設定値は、開口数から決まるレンズの焦点深度とウ
ェハーマーク２の段差の関係およびギャップδの制御精
度から ０．３≦Ｎ　Ａ、≦０．５　　　　　・・・（４）の範
囲に設定される。

また、対物レンズ１４の物体面であるウェハーマーク２
からギャップδだけずれた位置にあるマスクマーク３の
解像度は、設計上極めて僅かではあるがウェハーマーク
２の解像度に比べて低下するが、これは全く無視してよ
い量である。

次に、相対位置検出のための信号処理について説明する
。第１図に示す光学系において、ラインセンサ２０，２
２でそれぞれ検出された像は電気信号に変換され、ウェ
ハー信号波形３１およびマスク信号波形３３となる。こ
れらの信号波形を量子化して、デジタル信号処理するこ
とにより、ウェハーマーク１とマスクマーク３の相対位
置を求めることになる。ここで、デジタル信号処理の流
れを第４図および第５図に示す。

第４図は、皿子化されたウェハー信号波形３１およびマ
スク信号波形３３に相当するもので、このデジタル波形
を１次微分処理を行って第５図に示すようなデジタル波
形にする。相対位置は、この第５図に示した１次微分デ
ータに Ａ　　（Ｗ、　　Ｐ）＝ΣＶ　　　（Ｐ＋ｊ）ＸＶ　　
（Ｐ十Ｗ＋ｊ） ・・・　（５） で定義される相似性パターンマツチングと呼ばれる相関
式によって求められる。

その相似性パターンマツチングは、左右のパターンの幅
Ｗに対して極めて敏感な関数であり、相関値Ａ　（Ｗ、
Ｐ）が最大値となる左右パターンの幅Ｗをマーク間の距
離としている。なおこの処理は、本件発明者による「ア
ライメントマークの位置検出方法」として既に特許出願
されている。

（特願昭６３−２４２５９８号参照） 次に、参照レティクルの厚さと解像度について説明する
。参照レティクル１６の両面に生じるウェハーマーク２
およびマスクマーク３の像は、対物レンズ１４によって
形成される中間像であって、参照レティクル１６の厚さ
δ・Ｎ２は第１リレーレンズ１９および第２リレーレン
ズ２１の解像度には影響を与えることがない。

次に、第１図におけろ具体的な設計例を示す。

■ギャップδ＝３０μｍ ■対物レンズ１４ Ｎ、　　Ａ、　　＝０．　３５ 作動距離（Ｗ、Ｄ、）＝２０ｍｍ 倍率＝１０× ■参照レティクル１６ 厚さδ・Ｎ２＝３ｍｍ 両面反射防止膜コート ウェハー参照マーク１５およびマス ク参照マーク１７＝２層クロム。

厚さ＝０３μｍｔ マーク幅＝７ＬＬｍ（ウェハー上では ７／１０＝０．７μｍ） ■第１．第２リレーレンズ１９２１ Ｎ、Ａ、＝０．２ 作動距離（Ｗ、Ｄ、）＝２０ｍｍ 倍率＝１０× ■ラインセンサ２０，２２ エレメント数＝２０４８ エレメント間隔＝１４μｍ エレメント幅＝２００μｍ クロック周波数＝　１２　Ｍ　Ｈｚ　（最大）■白色光
源１１ ５０Ｗハロゲンランプ ■ハーフミラー１２．１８ 反射率および透過率＝５０　＋　５０ 上記■〜■以外に注意することは、検出光路中の適当な
位置に絞りを設けて、鏡筒内面での反射光がフレアとな
り、これが結像光束にかぶってコントラストが低下する
ことがないようにしなければならない。

最後に、上記実施例における特徴を纒めて示す。

（１）通常のレンズを用いて、白色光による２重焦点検
出を光路中に参照レティクルを用いることにより可能と
した。

（２）焦点面に直交する方向の相対位置の検出精度は、
参照レティクルの変位に全く影響されない。

（３）２重焦点間の距離は参照レティクルの厚みを変え
ることで自由に変更することができる。

（４）２重焦点面の各々において、白色光におけるレー
リーの定義式が独立に成立するため、２重焦点間の距離
とは全（無関係に必要なレンズ解像度を自由に設定する
ことができる。

（５）白色光照明によりウェハープロセスギャップ変動
およびＸ線マスクのメンブレムの厚さの変動に全く影響
を受けることがない。

（６）特別な光学部品を一切使用していないため、極め
て安価に装置を構成することができる。

（７）特別な光学技術を全く用いていないため、技術的
な問題点が全くない。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明の参照レティクルを用い
た２重焦点装置は、最小パターン線幅０５μｍ以降の次
世代ＬＳＩの露光に有望視されているＸ線ステッパーに
おけるＸ線マスクとウェハーの相対位置を正確に計測す
るアライメント装置に適用され、約３０μｍ隔離されて
位置するウェハーとＸ線マスクとの光軸と直交する方向
の相対位置を、ウェハープロセスに何ら影響されること
なく高い精度（０，０１ＬＬｍオーダー）で検出するこ
とが可能となる。

アライメント装置からの位置信号は、Ｘ線マスクやウェ
ハーを移動させる超精密ステージのフィードバック信号
としてその駆動装置に送信され、Ｘ線マスクとウェハー
の相対位置が所定位置関係になるように正確に制御する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の参照レティクルを用いた２重焦点装
置の構成を示す光路図、 第２図（Ａ）および第３図（Ａ）はラインセンサ上の結
像パターンを示す線区、第２図（Ｂ）および第３図（Ｂ
）はその波形図、 第４図および第５図は、信号処理を示す波形図、 第６図は、対物レンズとウェハーおよびマスク第７図は
、焦点深度と開口数の関係を示すグラフ、 第８図ないし第１０図は、従来のアライメント装置の側
面図および斜視図、 第１１図は、２重焦点レンズの光路図である。 １・・・Ｘ線マスク ２・・・ウェハーマーク ３・・・マスクマーク ト・・白色光源 ２１１８・・・ハーフミラ ５・・・ウェハー参照マーク ６・・・参照レティクル ７・・・マーク参昭マーク ９．２１・・・リレ ０．２２・・・ラインセンサ レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光軸方向に微小距離離間した第１の物体と第２の
   物体の光軸に直交する方向の相対位置を検出する位置検
   出装置において、 第１の物体と第２の物体間の微小距離に相当し、対物レ
   ンズの倍率から決定される厚みを有し、両面に第１の物
   体と第２の物体の位置検出に必要とするマークが形成さ
   れている参照レティクルを対物レンズの２つの結像位置
   に設けたことを特徴とする参照レティクルを用いた２重
   焦点装置。
2. （２）参照レティクルの両面に結像した第１の物体と第
   ２の物体の像を、さらに拡大するために参照レティクル
   の両面に焦点が一致するように２つのレンズを光路分岐
   して配置することを特徴とする請求項（１）記載の参照
   レティクルを用いた２重焦点装置。