JPH0445968B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、投影レンズによりマスク上の回路パ
ターンを投影する際、アライメントするための半
導体ウエハ等の被露光試料に関する。

〔従来の技術〕

縮小投影式露光装置は、一般に第１図に示すよ
うに、マスク１とウエハ３とを離間させて配置す
ると共に、その間に投影レンズ２を、マスク１上
にコンデンサレンズ４をそれぞれ配置したもの
で、露光光源（図示せず）からの露光光をコンデ
ンサレンズ４を介してマスク１に照射し、該マス
ク１のマスクパターン５を投影レンズ２を介して
ウエハ３のペレツト８上にウエハパターン２７と
して縮小投影露光転写する。なお、このときマス
ク１をウエハ駆動用ステツプ・アンド・リピート
Ｘ−Ｙテーブル（図示せず）の走行方向と一致さ
せ、しかも絶対座標の原点に配置するため、ウエ
ハ駆動用ステツプ・アンドリピートＸ−Ｙテーブ
ルの走行方向である絶対座標のＸ−Ｙ軸上で、且
マスクアライメントする鏡筒（図示せず）内に設
置されたレチクル状の十字アライメントパターン
（図示せず）と上記〓形状アライメントパターン
６との相対的変位を目視または自動的に検出し、
その変位量に応じてマスクを載置したＸ・Ｙ・θ
テーブルを回転（θ）、Ｘ軸方向微移動、及びＹ
軸方向微移動させて行なう。

そして、前述の投影式露光装置において、マス
ク１とウエハ３とを位置合わせする従来の投影式
マスク・アライメント装置は、マスク１の周辺に
クローム７ａを蒸着させて約400ｍ角の透明部よ
りなるマスク・アライメント・パターン７を設
け、一方ウエハ３に約５ｍ幅の十字状段差で、表
面にホト・レジストを塗布したウエハ・アライメ
ント・パターン９を設け、それから露光光と同じ
光を照射する水銀灯１３、干渉フイルタ１４、コ
ンデンサレンズ１５，１６、絞り１７、ハーフミ
ラー１２、及びミラー１１からなる光学系と、こ
の光学系と異なる角度からマスク・アライメント
パターン７を照射する光学系１０と、対物レンズ
１８、ハーフミラー１９，２０、像回転プリズム
２１、ミラー２２、スリツト２３およびＸ、Ｙ用
受光素子２４，２５からなる検出系とを装備した
ものである。

そこでまず昭和52年特許出願第19237号に開示
されている如く、別のステーシヨンでウエハ３を
粗アライメントされた状態で収納されたカセツト
治具（図示せず）をステツプ・アンドリピートＸ
−Ｙテーブル（図示せず）上に設置された位置決
め用ピンに当接して載置する。そしてステツプ・
アンドリピートＸ−Ｙテーブルを例えばＸ軸＋方
向に＋Ｎ×Ｐなる距離〔但し、Ｎは整数、Ｐはチ
ツプ間距離（単位ステツプ距離）である〕移動さ
せて縮小投影レンズ２の中心である光軸にウエハ
３上の左単のチツプ８を位置付ける。そして水銀
灯１３からの露光光と同じ光が干渉フイルタ１
４、オンデンサレンズ１５、及び１６、絞り１
７、ハーフミラー１２、ミラー１１並びにマスク
１０を経てマスク１のマスク・アライメント・パ
ターン７を照射し、その光が入射光ａとして縮小
投影レンズ２の入射瞳α中心Ａ点に向い、該縮小
投影レンズ２を通過後射出瞳β中心Ｂ点よりあた
かも射出するような角度をもつてウエハ３上の前
記チツプ８のウエハ・アライメント・パターン９
上にマスク・アライメント・パターン７を結像
７′する。するとその結像７′とウエハ・アライメ
ント・パターン９がウエハ３面で反射して戻り光
ｂとして縮小投影レンズ２に逆に入射し、再びマ
スク面１で両パターン７，９が形成されてマス
ク・アライメント・パターン７の透明部を通過し
た光はミラー１１、ハーフミラー１２、対物レン
ズ１８、ハーフミラー１９，２０、像回転プリズ
ム２１、ミラー２２を経てスリツト２３面上に第
２図ａに示すように干渉縞９の有する像として結
像し、第２図ｂ及びｃに示すようにスリツト走査
によつて受光素子２４，２５から得られる信号に
よりパターン７，９のＸ軸方向、Ｙ軸方向の相対
的位置ずれ量Δx₁、Δy₁を検知して記憶する。な
お、前記のパターン７，９の相対位置ずれ量
Δx₁、Δy₁の検知は、第２図ａ，ｂ，ｃに示すよ
うに、マスク・アライメント・パターン７の透明
部の周辺は光学系１０からの照射により明レベル
となり、またウエハ３からの戻り光は弱明るさの
レベルを持つので、この立下りによりマスク・ア
ライメント・パターン７の透明部の位置が求ま
り、その位置とウエハ・アライメント・パターン
９の中心の位置よりＸ軸、Ｙ軸方向の位置ずれ量
が求まる。

次にステツプ・アンドリピートＸ−Ｙテーブル
を例えばＸ軸一方向に−2N×Ｐなる距離移動さ
せて光軸にウエハ３上の右端のチツプ８を位置付
ける。そして水銀灯Ｂら露光光と同じ光をマス
ク・アライメントパターン７と前記チツプ８のウ
エハ・アライメントパターン９とに照射して、そ
の反射光像を結像させ、前記と同様にスリツト走
査によつて受光素子２４，２５から得られる信号
によりパターン７，９のＸ軸方向、Ｙ軸方向の相
対的位置ずれ量Δx₂、Δy₂を検知して記憶する。

次にこれらの位置ずれ量から角度θ＝（Δy₁−
Δy₂）／2N×Ｐ、ウエハ３を載置したテーブル
を微回転させ、ウエハ３上に先にチツプ８が配列
されている方向とステツプアントリピートするＸ
軸方向またはＹ軸方向とを一致させる。そしてｙ
軸方向についてはΔy₁（またはΔy₂）なる距離マス
ク１を載置したマスクテーブルをＹ軸方向に微移
動させ、Ｘ軸方向についてはΔx₁（またはΔx₂）
なる距離上記マスクテーブルをＸ軸方向に微動さ
せてマスク１とウエハ３とは相対的に位置整合さ
れた状態となる。

このように位置整合された後は、高精度にステ
ツプ・アンドリピートＸ−ＹテーブルをＸ軸方向
及びＹ軸方向にＰなる間隔で歩進させてその都度
前述の露光光を照射することにより、ウエハ３上
に碁盤の目のように多数のチツプ８が露光焼付さ
れる。ところで照明光の進路及びウエハ上で反射
する状態は第３図及び第４図に示す如くである。
即ち対物レンズ１８の方から落射照明による照明
光３０はミラー１１で反射し、マスクパターン７
の正方形の透明部を通過し、投影レンズ２の入射
瞳Ａに向かい、投影レンズ２を通過した照明光３
１は、射出瞳Ｂの方向よりウエハ３を照射する。
しかしこの照明光３１の角度θは、現在投影レン
ズ２の光学設計技術では零にすることは困難であ
る。然るにこの照明光３１がウエハアライメント
パターン９で反射する様子は第４図に示す如くで
ある。即ち十字線状ウエハアライメントパター９
は、例えばS_i基板９_aの段差（１〜2μｍの深さ）
とその上に塗布されたホトレジスト９_bとよりな
る。そしてこの段差の左右の段差部（ｙ軸方向に
沿つて形成された段差部）２５を上記角度θを有
する照射光３１が照明されると、この段差部２６
での反射光３２ａ，３２ｂは光軸を中心に非対称
である互いに異なる方向へと進む。そしてこの反
射光３２ａ，３２ｂが投影レンズ２に入射して投
影レンズ２によりウエハアライメントパターン９
の逆投影像９′が形成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし従来の投影式アライメント装置において
は、反射光３２ａ，３２ｂは全て投影レンズ２に
入射せず、このうち一部の光のみが投影レンズ２
の絞２ａの中に入射して通過して逆投影像９′の
形成に関与するに過ぎない故、反射光３２ａと３
２ｂでは投影レンズ４を透過する光量は大幅に異
なり、スリツト２３の走査による受光素子２４か
ら検出される信号第２図ｂに示す如く、非対称形
状になり、ウエハアライメントパターンのｘ軸方
向の中心位置を高精度に検出することは困難にな
り、ｘ軸方向に高精度にウエハをアライメントす
ることができなかつた。

本発明の目的は、上記従来の課題を解決すべ
く、投影レンズを用いて所定の間隔で複数の投影
露光単位が転写されて構成された被露光試料上の
各投影露光単位において、各投影露単位における
周辺部の異なる位置の各々に対応させて設けられ
た直線状の段差アライメントの位置を前記投影レ
ンズを通して光学的に高精度に検出して、該投影
露光単位の少なくともＸ、Ｙ軸方向の位置を光学
的に高精度に検出できるようにした半導体ウエハ
等の被露光試料を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

即ち、本発明は、上記目的を達成するために、
投影レンズを用いて所定の間隔で複数の投影露光
単位が転写されて構成された被露光試料上におい
て、前記各投影露光単位における少なくとも２つ
の位置検出方向に対応させて、前記各投影露光単
位の周辺部の少なくとも２個所の各々に、前記位
置検出方向に直角な方向に対称線を有し、且つ該
対称線の延長線が、前記投影露光単位の中心近傍
で直角に交わるように少なくとも２個の直線上の
段差アライメントパターンを設け、該各直線状の
段差アライメントパターンから、互いに上記位置
検出方向にほぼ等しい位置検出用の反射光が前記
投影レンズを通して得られるように構成したこと
を特徴とする半導体ウエハ等の被露光試料であ
る。

〔作用〕

上記構成により露光単位において投影レンズの
接線方向のみで２軸方向について半導体ウエハ等
の被露光試料の位置を投影レンズの収差に影響さ
れることなく検出することができ、投影式アライ
メント装置において高精度のアライメントを実現
することができる。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例にもとずいて具体
的に説明する。第５図は本発明の縮小投影式マス
クアライメント装置の一実施例を示す概略構成図
である。ウエハ３は別のステーシヨンで端面が高
精度に仕上げられたウエハ収容カセツト治具（図
示せず）に粗アライメントされて収容され、ステ
ツプ・アンドリピートするＸテーブル２８ａ及び
Ｙテーブル２８ｂ、並びに回転θテーブル２８ｃ
から構成さたＸ・Ｙ・θテーブル２８の上面に植
設された位置決め用ピン２９にウエハ収容カセツ
ト治具を当接固定することによつて粗アライメン
トされた状態で載置される。そしてウエハ３上に
碁盤の目のように配列された各チツプ８の光軸３
４（中心）を通るｘ軸方向を向いた線上の左端及
びｙ軸方向を向いた線上の下端とに第５図及び第
６図に示すように線状のウエハアライメントパタ
ーン３５ｂ及び３５ａが形成されている。マスク
１には、半導体集積回路パターン５と、ウエハ３
とアライメントするための正方形の透明な窓から
なり、且光軸３４（マスクの中心）を通るｘ軸方
向を向いた線上の右端とｙ軸方向を向いた線上の
上端とに各々形成されたマスクアライメントパタ
ーン７ａ及び７ｂと、筐体、即ちＸ−Ｙテーブル
がステツプ・アンドリピートされる絶対座標（基
準座標）に位置決めするために角に形成された一
対のアライメントマーク６とが備え付けられ、中
央をくりぬいたマスクＸ・Ｙ・θテーブル（図示
せず）上に載置される。そして図示されていない
顕微鏡によつて顕微鏡内に設置された十字線状の
レチクル基準マーク（絶対座標である）と上記ア
ライメントマーク６との変位を光学検出器または
目視によつて検出し、この変位がなくなるように
自動的にまたは手動で上記マスクＸ・Ｙ・θテー
ブルを移動して絶対座標に高精度位置決めする。
然るにマスクはステツプアンドリピートするＸテ
ーブル２８ａ及びＹテーブル２８ｂの移動方向
（ｘ軸、及びｙ軸方向）及び移動基準位置（座標
原点）に対して高精度に位置決めされたことにな
る。

次にマスク１とウエハ３との位置整合、即ちウ
エハ３の絶対座標（基準座標）に対する位置整合
について説明する。ところで２個所に形成された
アライメントパターン７ａ，３５ａ、及び７ｂ，
３５ｂに対応させて検出器４５ａ及び４５ｂが設
けられている。検出器４５ａ及び４５ｂは各々、
マスクアライメントパターン７ａ及び７ｂを照射
する光を導くオプテカルフアイバ４８ａ及び４８
ｂ、オンデンサレンズ４７ａ及び４７ｂ、ミラー
１０ａ及び１０ｂ、露光光と同じ波長の光を照射
する水銀灯からの光を導びくオプテイカルフアイ
バ３６ａ及び３６ｂ、ハーフミラー１２ａ及び１
２ｂ、対物レンズ１８ａ及び１８ｂ、ミラー１１
ａ及び１１ｂ、リレーレンズ３７ａ及び３７ｂ、
ミラー３８ａ及び３８ｂ、集光レンズ４０ａ及び
４０ｂ、ホトマル等で形成された受光素子２４及
び２５、スリツト２３ａ及び２３ｂを備え付けて
往復直線走査する走査板３９ａ及び３９ｂ、該走
査板３９ａ及び３９ｂを支える板ばね４４ａ及び
４４ｂ、往復回転運動するガルバー４１ａ及び４
１ｂ、その出力軸に取付けられたレバー４２ａ及
び４２ｂ、並びにこのレバー４２ａ及び４２ｂの
先端に取付けられ、且走査板３９ａ及び３９ｂに
各々接触するピン４３ａ及び４３ｂより構成され
ている。

一方露光部は水銀灯からなる光源５４、フイル
タ５３、コンデンサレンズ５２及び５１、ミラー
５０、並びにコンデンサ４から構成されている。
そしてオプテイカルフアイバ４８ａ及び４８ｂ、
コンデンサレンズ４７ａ及び４７ｂ、ミラー４６
ａ及び４６ｂ、ミラー１０ａ及び１０ｂより構成
されるマスクアライメントパターン照明によりマ
スクアライメントパターン７ａ及び７ｂの窓のエ
ツヂが検出器４５ａの受光素子２４及び検出器４
５ｂの受光素子２５により明るく検出され、第８
図ｂに示す検出信号が得られ基準位置からのＭ
１、Ｍ２の位置が精度よく求まる。またウエハア
ライメントパターン３５ａ及び３５ｂの各々の照
明には、オプテイカルフアイバ３６ａ及び３６
ｂ、ハーフミラー１２ａ及び１２ｂ、対物レンズ
１８ａ及び１８ｂ、並びにミラー１１ａ及び１１
ｂを用い、縮小投影レンズ２の入射瞳Ａに向けて
照明する。ウエハアライメントパターン３５ａ及
び３５ｂで反射した光は逆の光路を通り、リレー
レンズ３７ａ及び３７ｂ、ミラー３８ａ及び３８
ｂ、を経てスリツト２３ａ及び２３ｂに達する。
対物レンズ１８ａ及び１８ｂの各々の焦点はマス
クアライメントパターン７ａ及び７ｂに合致して
おり、両パターン７ａ，３５ａ及び７ｂ，３５ｂ
の重ね合わせ像は、スリツト２３ａ及び２３ｂ面
上の位置に結像する。なおオプテイカルフアイバ
３６ａ及び３６ｂ，４８ａ及び４８ｂから導びか
れる照明光は、露光用光と同じ波長域の光であ
り、縮小投影レンズ２の色収差による焦点ぼけを
避けている。そこでまず制御装置（図示せず）か
らの指令でＸテーブル２８ａを座標原点（光軸３
４の位置）から左右方向へＮ×Ｐ（Ｎはチツプ個
数、Ｐはチツプ間距離）なる距離（最初にウエハ
に集積回路をステツプアンドリピートして焼付け
る条件と同じ）レーザ測長器を用いて、高精度に
移動させて停止させる。すると縮小投影レンズ２
の最下位置、即ち光軸３４上には、チツプ８x₁が
位置することになり、このチツプ８x₁の線状ウエ
ハアライメントパターン３５ａとマスクアライメ
ントパターン７ａ及び線状ウエハアライメントパ
ターン３５ｂとマスクアライメントパターン７ｂ
との像が第７図に示すように重畳された形とな
る。しかしウエハアライメントパターン３５ａ及
び３５ｂ共にチツプの中心（光軸３４）を中心と
して放射状に線状パターンが向くように形成され
ているので、第３図に示す如く縮小投影レンズ２
を通過した光が射出瞳Ｂより角度θをもつて照射
されたとしても、この線状パターンの各々の相対
する両段差の部分で反射する反射光は対称的で、
相対的に光量に差が生じることはなく、第８図ｂ
に示す如く対称的な信号波形を得ることができ
る。そしてアライメントパターン７ａと３５ａの
結像を検出器４５ａによつてスリツト２３ａを走
査して受光素子２４につて検出すると、ｘ方向の
マスク１とチツプ８x₁との相対的変位量Δx₁が高
精度に求まり、上記アライメントパターン７ａと
３５ａに対して光軸３４を中心にして90度位置を
ずらして設置されたアライメントパター７ｂと３
５ｂの結像を検出器４５ｂによるスリツト２３ｂ
を走査して受光素子２５によつて検出するとｙ軸
方向のマスク１とチツプ８x₁との相対的変位置
Δx₂が高精度に求まる。

次にアライメントパターンへの照明を中止して
制御装置（図示せず）からの指令でｘテーブル２
８ａを左方向へ2N×Ｐなる距離レーザ測長器を
用いて高精度に移動させて停止させる。すると光
軸３４上には、チツプ８x_oが位置することにな
り、このチツプ８x_oの線状ウエハアライメントパ
ターン３５ａとマスクアライメントパターン７ａ
及び線状ウエハアライメントパターン３５ｂとマ
スクアライメントパターン７ｂとの像が第７図に
示すように重畳された形となる。そして前記と同
様にアライメントパターンに光を照射すると共に
検出器４５ａ及び４５ｂによつてｘ軸方向のパタ
ーンの相対的変位量Δx₂とｙ軸方向のパターンの
相対的変位量Δy₂とが高精度に求まる。

そして（Δy₂−Δy₁）／2NP＝θがウエハ３の
回転方向の位置ずれであり、これがなくなるよう
にウエハ３を載置した回転θテーブル２８ｃを回
転させればマスクとウエハとは回転方向の位置ず
れはなくなる。次にΔy₁（またはΔy₂）制御回路内
に記憶されているＸ軸テーブル２８ａ、Ｙ軸テー
ブル２８ｂをステツプアンドリピートさせる基準
コントロール信号に上記で求められたｘ軸方向の
誤差Δx₁、Δx₂及びｙは軸方向の誤差Δy₁（または
Δy₂）を補正すればウエハ３はマスク１に位置整
合された形でステツプアンドリピート（歩進）す
ることになる。ウエハ３には拡散等の化学的処理
が施され、延び縮みが生じるので、ｙ軸方向に配
列されたチツプ８_1yとチツプ８_oyについて相対的
変位量Δx₃、Δy₃とΔx₄、Δy₄を求め、ｘ軸方向の
延び縮み（Δx₂−Δx₁）、ｙ軸方向の延び縮み
（Δy₄−Δy₃）からステツプアンドリピートするピ
ツチＰに補正を加えれば、マスクチツプとは相対
的に高精度に位置整合されることになる。ところ
で、ウエハ３上の各チツプ８に形成する線状ウエ
ハアライメントパターン３５ｃ及び３５ｄをそれ
らの延長線が90度の角度で交叉するように角の２
ケ所に形成し、マスク１も角の２ケ所に方形の透
明な窓からなるマスクアライメントパターン７ｃ
及び７ｄを形成しても前記実施例と同じ作用効果
を得ることができる。また前記実施例では検出器
を２個設置した場合について説明したが、イメー
ジローテータ等をいれれば走査板、板ばね、往復
直線駆動等を共通にして１組にするこは可能であ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、投影レン
ズを用いて被露光試料上に転写されて構成された
において、周辺部の少なくとも２個所の各々に、
位置検出方向に直角な方向に対称線を有し、且つ
該対称線の延長線が、前記投影露光単位の中心近
傍で直角に交わるように少なくとも２個の直線状
の段差アライメントパターンを設けたことによ
り、少なくとも２つの直線状の段差アライメント
パターンの各々から、互いに上記位置検出方向に
ほぼ等しい位置検出用の反射光が前記投影レンズ
を通して得られるようにして、前記各直線状の段
差アライメントパターンの位置を投影レンズを通
して光学的に0.1μｍ以下の高精度に検出すること
も可能にして各投影露光単位の位置を少なくとも
Ｘ、Ｙ軸方向について光学的に高精度に検出する
こができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来の縮小投影マスクアライメント
装置の概略構成を示す斜視図、第１図ｂは第１図
ａに示すマスクアライメントパターンを拡大して
示した斜視図、第１図ｃは第１図ａに示すウエハ
上のチツプ毎に形成されたウエハアライメントパ
ターンとそれに重畳されたマスクアライメントパ
ターンとを示した斜視図、第２図ａは第１図ａに
示すスリツトに結像されるマスクアライメントパ
ターンとウエハアライメントパターンとの光像及
び走査スリツトを示す図、第２図ｂは第２図ａに
示す光像をｘ軸方向受光素子によつて検出される
映像信号波形を示した図、第２図ｃは第２図ａに
示す光像をｙ軸方向受光素子によつて検出される
映像信号波形を示した図、第３図は第１図に示す
装置において照射光が進む径路状態を示す図、第
４図は第１図に示す装置においてチツプ毎に形成
されたウエハアライメントパターンからの反射光
の進行状態を示す図、第５図は本発明による縮小
投影マスクアライメント装置の一実施例を示す斜
視図、第６図は第５図に示すマスク、縮小投影レ
ンズ及びウエハの左端チツプを重ねて各アライメ
ントパターンを示した図、第７図は第５図に示す
各走査板のスリツトのところへ結像される光像を
示した図、第８図ａは第７図に示す光像をスリツ
トが走査する状態を示した図、第８図ｂは第５図
に示す各受光素子から得られる映像信号波形を示
した図、第９図は第６図に示す各アライメントパ
ターンと異なる位置に形成した各アライメントパ
ターンを示した図である。 符号の説明、１……マスク、２……縮小投影レ
ンズ、３……ウエハ、６……アライメントマー
ク、７ａ，７ｂ……マスクアライメントパター
ン、８……チツプ、２８ａ……Ｘテーブル、２８
ｂ……Ｙテーブル、２８ｃ……回転テーブル、２
８……Ｘ・Ｙ・θテーブル、１８ａ，１８ｂ……
対物レンズ、２３ａ，２３ｂ……スリツト、２
４，２５……受光素子、３６ａ，３６ｂ……オプ
テイカルフアイバ、３９ａ，３９ｂ……走査板、
４５ａ，４５ｂ……位置検出器、４８ａ，４８ｂ
……オプテイカルフアイバ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 投影レンズを用いて所定の間隔で複数の投影
   露光単位が転写されて構成された被露光試料上に
   おいて、前記各投影露光単位における少なくとも
   ２つの位置検出方向に対応させて、前記各投影露
   光単位の周辺部の少なくとも２個所の各々に、前
   記位置検出方向に直角な方向に対称線を有し、且
   つ該対称線の延長線が、前記投影露光単位の中心
   近傍で直角に交わるように少なくとも２個の直線
   状の段差アライメントパターンを設け、該各直線
   状の段差アライメントパターンから、互いに上記
   位置検出方向にほぼ等しい位置検出用の反射光が
   前記投影レンズを通して得られるように構成した
   ことを特徴とする半導体ウエハ等の被露光試料。