JPH0799732B2 - 位置合わせ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レチクル上のパターンをレジスト等の薄膜が
塗布されたウエハ上に結像光学系を介して投影転写する
装置に適用してレチクルとウエハを位置合わせする方法
に関する。

［従来技術］ この種の露光装置の基本的な２つの性能といえば解像力
と重ね合せ精度である。解像力に関しては取り扱いが非
常にシンプルである。なぜなら解像力を決定するパラメ
ータが数少ないからで、ステッパと呼ばれる装置におい
ては投影レンズの使用波長と開口数（NA）さえわかれ
ば、その光学系の解像力を容易に類推することができ
る。また、Ｘ線露光の場合でもパラメータは光源の大き
さによる半影ボケ等といった限られたものしか存在して
いない。

メモリーセルの１トランジスタ化が実現して以来、半導
体の高集積化の両翼を担ってきたのはリソグラフィすな
わち微細線幅焼付技術の進歩とエッチング等のプロセス
技術の進歩であった。解像力に関してはステッパのレン
ズの歴史を辿れば解るように光学系は着実に進歩してき
ている。光学方式は１μｍの壁を破り、サブミクロン時
代に対応したレンズが次々と発表されている。

一方、プロセスの方でも溝掘り方式等、低段差化、高段
差化相俟って三次元IC的な発想で新しいアイディアが実
現されている。露光装置側での解像力の進歩とプロセス
側での進歩は、各工程のパターンの重ね合せという舞台
で最も大きな接点を見出すこととなる。その意味で重ね
合せ精度は露光装置の中で重要度をますます高めている
といえる。

重ね合せ精度を解像力を取り扱ったようなシンプルなパ
ラメータで表示することは難しい。それはウエハプロセ
スの多様性を物語っているが、その一方で、重ね合わせ
のためのアライメントシステムの構成が多種多様である
ことに起因しているともいえる。ウエハプロセス要因を
より複雑にしているのは、この問題が１つウエハ基板だ
けに留まらず、ウエハ上に塗布されているフォトレジス
ト迄含めて論ずる必要があるからである。現在の半導体
の明らかな方向の一つにICの三次元的な構成への流れと
いうものが存在している。その中でウエハ表面の高段差
化は避けられないものであるが、この高段差がフォトレ
ジストの取布状態に明らかな悪影響を及ぼす。またウェ
ハは６インチから８インチさらには10インチとますます
大型化の傾向にある。大口径のウエハにフォトレジスト
をスピン方式で塗布した場合、中心部と周辺部でレジス
トの塗布状況が異なるのは自明のことであり、その差が
ウエハ表面の段差が大きいほど顕著にあらわれることも
明らかである。実際、アライメント状態がレジスト塗布
の影響を受けて変化することは公知であり、逆に均一な
塗布の仕方をどうすれば良いかという研究がなされてい
るほどである。

フォトレジストでもう一つ注意しなければならないのは
サブミクロン時代における多層化への流れである。多層
レジストプロセスやCELといった解像力向上のための手
段は必然的に幾つかの工程で採用されるので、これに対
する対策も必要である。露光装置は重ね合せという舞台
でこうした新しいウエハプロセスへの対処を迫られてい
るといえる。

一方、これに対してアライメントシステムの多様性はシ
ステム構成のフレキシビリティと困難さの証明である。
現在、提案され実現されているアライメントシステムは
一つとして同じものがなく、各システムがそれぞれ長所
と短所を合せ持っている。例えば本出願人になる特開昭
58−25638号「露光装置」が一つの事例として挙げられ
る。このシステムは投影光学系にレチクル及びウエハ双
方にテレセントリックな光学系を用いてTTL on Axis
という思想を実現した優れた構成例の一つである。投影
レンズはｇ線（436nm）に対して収差補正がなされてい
るが、同様の性能をHe−Cdレーザの波長（442nm）でも
発揮するようになっている。この特許出願で開示した一
実施例ではHe−Cdレーザによるレーザビーム走査法をア
ライメント信号検知法として採用しており、この結果TT
L on Axisすなわちアライメントした状態で即露光動
作に入ることが可能となっている。TTL on Axisシス
テムは露光装置として誤差要因がアライメント信号の検
知エラー唯一つであるという意味で、最もシステム的な
誤差要因の少ない構成であり、理想のシステムに近い。
このシステムの欠点は唯一つで、それは多層レジストの
ような露光波長近辺の波長を吸収するようなプロセスに
弱いということである。

一方、これに対して露光波長以外の波長、具体的にはｅ
線（546nm）とかHe−Neレーザ（633nm）といったより長
い波長を用いるシステム構成例も多数提案されている。
露光波長よりも長い波長を用いるため多層レジストのよ
うな吸収型のプロセスに対して、このシステムは強いと
いう利点を持っている。しかし、通常、投影レンズの色
の諸収差のためにアライメントする像高が投影レンズに
対して固定されており、アライメントの検出を行なった
後に露光位置までウエハを移動させるという誤差要因が
入り込むことになる。露光波長以外の光でのアライメン
トシステムはこのため必然的にTTL off Axisのシステ
ムとなってしまうのである。

しかしながら、近年の重ね合せ精度に対する要求はます
ます厳しくなってきており、特開昭58−25638号に示し
たような理想システムにおける誤差要因であるアライメ
ント信号の検知エラーすら問題となる領域にまできてい
る。本発明では従来例に基づいてアライメント信号の検
知エラー成分を分析し、その誤差要因をとり除くことに
より、アライメント精度の向上を図ったことを特徴とし
ている。

アライメント信号の検知誤差成分を本願の発明者等が分
析したところによると、その誤差成分は主として フォトレジストの塗布問題 ウエハ基板に形成されるアライメントマーク（以下、
AAマークという）の段差構造の問題 ウエハ基板表面の問題 に起因するものが大部分であることが判明した。

のフォトレジストによる誤差要因は種々挙げられる
が、そのうち最も大きいのは次の２つの要因であるもの
と考えられる。

第１はレジストの表面反射光とレジストを透過し、ウエ
ハ基板に当って戻ってくる光との干渉効果である。特に
前述したようにフォトレジストはウエハ内で均一に塗布
されているとは限らず、中心と周辺では塗布状態が異な
っている場合が多い。ウエハ基板自体もエッチング、ス
パッタ等のウエハ内均一性の問題を抱えている。そのた
め、ウエハ内の各ショットのAAマークの構造はレジスト
の塗布迄含めて考えた時、場所場所で異り、従って、干
渉効果も異なっている。レジスト塗布の影響でアライメ
ントに誤差が出るのはこの干渉による効果が最も大きい
と思われる。

第２の要因として挙げられるのは多重反射である。レジ
ストは一つの光導波路としての性格を持っている。その
ためにウエハ基板で反射された光の一部はレジストと空
気の境界面で反射され、またウエハに戻ってきて再反射
を受けることとなる。この影響は基板の反射率が高いほ
ど顕著であるし、またこの多重反射光が最終的には干渉
を起こしアライメントの精度を劣化させる要因ともな
る。

また、アライメントの誤差要因のはAAマークの段差構
造の問題である。このAAマークの段差構造は、エッチン
グ、スパッタ等により不均一となる。例えば、アルミニ
ウムスパッタ後のAAマーク段差構造は、エッヂ付近での
アルミ膜厚が不均一になり、本来水平面である、部分が
傾斜を持つ場合がある。そのため、ウエハ基板で反射さ
れた光が直接偽信号として取り込まれ、アライメントの
精度を劣化させる要因となる。

この他に、アライメントの誤差要因のとしてウエハ基
板表面の問題がある。すなわち、ウエハ基板表面が粗面
であれば、粗面からの散乱光が上述のレジストの影響を
受け、干渉を起こしアライメントの誤差要因となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従って本発明は、上述従来例にあるレジスト塗布状態や
AAマーク段差構造およびウエハ基板表面状態によるアラ
イメント信号の誤差成分を軽減し、より高いアライメン
ト検出精度を実現する位置合わせ方法を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段および作用］ 上記目的を解決するため本発明では、レチクル上に描か
れたパターンを投影光学系を介してレジストが塗布され
たウエハ上に投影露光する露光装置における、レチクル
とウエハとを位置合わせする位置合せ方法において、ウ
エハの位置にレジストが塗布されていない基準板を配置
する段階、第１の光学系によって、レチクル上のマーク
の像と、投影光学系を介した基準板上のマークの像とを
検出してレチクルと基板との位置関係を検出する第１の
検出段階と、第１の光学系に比べてレジストの影響を受
けずにウエハ上のマークを検出する第２の光学系によっ
て、第１の検出段階と同じ位置にある基準板上のマーク
の像を検出する第２の検出段階と、第１および第２の検
出段階の検出結果に基づいて、レチクルとウエハが所定
の位置関係に位置する第１の光学系によって検出される
レチクル上のマークの像位置と第２の光学系によって検
出されるウエハ上のマークの像位置との相対的関係をオ
フセットとして記憶する段階と、レチクルとウエハを位
置合わせする際はレチクル結像光学系で検出するレチク
ルのマーク像位置とウエハ結像光学系で検出するウエハ
のマーク像位置との相対的関係からオフセットを補正し
てレチクルとウエハとの位置ずれを検出する手段とを特
徴としている。

これによれば、個々に検出された検出結果がどのような
相対的関係を有する時にレチクルとウエハとが所定の位
置関係になるかのオフセットが予め精度良く検出され、
実際の位置合わせ時に、個々に検出された結果の相対関
係からオフセットを補正して精度良くレチクルとウエハ
との位置ずれが検出される。しかもこのオフセットはレ
チクルを交換しても、再度とり直す必要がない。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。第１図
は本発明の一実施例に係る位置合せ装置をステッパすな
わち縮小投影露光装置に応用した例である。

同図において、縮小レンズ３はレチクル１上のパターン
２をウエハ４上に投影露光する役目を果たしている。縮
小レンズ３は、焼付ける対象物であるウェハの凹凸や、
通常、レンズ３とウエハ４の間に配置されているオート
フォーカス系の計測駆動エラー等に基づくフォーカスの
変動等によって、ディストーションおよび倍率が変化し
ないようにウエハ側ではテレセントリックとなっている
のが通常である。なお、第１図ではウエハ上の５の場所
がレチクル１上のパターン２に対応している。

本発明での最大の特徴は投影レンズ３の下に配置された
ウエハマーク結像光学系にある。第１図でこれから焼き
付けられるべきウエハの部分５のためのAAマーク６は、
このマーク６に対し、所定の方向および角度で配置され
たウエハマーク結像光学系21によって結像される。これ
が本発明の最も主要な部分をなすものである。そして、
この像はウエハマーク像検知素子14により電気信号とし
て検出される。12,13はマーク６からの光をウエハマー
ク結像光学系21に導くミラーおよびレンズである。

既に述べたようにアライメント信号の検出エラーの最も
大きい要因はレジストの表面反射光とウエハ基板の反射
光との干渉である。この影響を無くすためには幾つかの
方法があるが、最も根本的な解決法は表面反射光をウエ
ハマーク結像光学系に入射させないことである。レジス
トの塗布状態をSEMや干渉顕微鏡で観察したところ、た
とえ非常に大きい段差構造を持ったウエハでも、その上
に塗布されたレジストの表面の傾斜は最大で５゜前後で
あり、それ以上急崚なスロープは存在しないことが判明
した。ステップカバレージの問題から大きい段差に対し
てはそれを上回る厚さのレジストを取布するのが普通で
あり、その結果ほぼ５゜前後の値に納まるのである。

このため、本発明ではウヘハマーク結像光学系21に対し
て第２図に示すように次のような条件を付け加えるのが
特徴である。すなわち、レジストのスロープ角度を５
゜、照明光17の光束拡がり角をＡとすると表面反射光18
は角度Ｂ＝10゜であり、多重反射光19は基板で２回反射
した光であれば約25゜である。３回反射以上の場合は一
般的に反射強度が実用上充分小さいので、無視しうる。
従って、AAマーク６の画像を取り込む角度Ｅを Ｅ≧Ｃ＋Ａ ‥‥‥（１） とする。

このようにすると照明光のレジスト表面での反射光およ
び多重反射光はウエハマーク結像光学系21に入らない。

さらに、AAマークを結像させ、図示されていない画像処
理系によりAAマーク形状を認識させ、AAマーク段差構造
やウエハ表面形状による偽信号を排除し、真のAAマーク
の位置を検出することができる。

これまでステッパで提案されてきたTTL方式は照明光を
投影レンズを介して照射し反射光を投影レンズを介して
受光していた。これに対し本発明は投影レンズの外側で
受光する方式であり、しかもＥ≧Ｃ＋Ａという規制値を
設けることによりレジスト表面反射および多重反射の除
去を行ない、さらにマーク像を結像させ画像データを得
て画像処理を行なうことにより、AAマークのみを抽出す
ることに成功したものである。AAマークそのもののみを
分離して取り出せるということはアライメント精度の向
上に直接結びつくことを意味している。

さて、以上はウエハマーク結像光学系であったがレチク
ルマーク結像光学系は、第１図に示す如くまず光源９の
ビームによりミラー８、ビームスプリッタ11等を介して
レチクル１上のレチクルマーク15を照明する。そして、
結像光学系７により結像させたマーク像を検知素子10に
て受光し画像データを得る。レチクル１を透過したビー
ムが投影系を介して前述のウエハマーク６を照明するこ
ととなる。

ここで、レチクルマーク結像光学系およびウエハマーク
結像光学系により得られた２つの像の相対位置を予め求
める必要がある。

この方法として、レジストが塗布されていない鉛直なエ
ッジを持つ基準ウエハを使用し、レチクルマーク結像光
学系により結像されるレチクルマークおよびウエハマー
クの画像データに基づきレチクルとウエハのずれ量を零
に合せ込む。このときのウエハマーク結像光学系により
結像されるウエハマークとレチクルマーク結像光学系に
より結像されるレチクルマークとの両者の画面内での相
対位置をオフセットとして記憶しておく。そして、実際
の位置合せの際には、レチクルマーク結像光学系により
得られたレチクルマーク像とウエハマーク結像光学系に
より得られたウエハマーク像との相対位置ずれ量からオ
フセット値を減算し、合せ込むことにより高精度の位置
合せが可能となった。

前記実施例中、第１図における光源９は露光波長と同一
波長であることが望ましいが、露光波長以外を用いる時
は補正光学系16を用いてウエハ上に投影される照明光の
収差を補正することも可能である。必要あれば補正光学
系は露光時退避することも可能である。また、光源９は
レーザであることが望ましいが高輝度光源であればよ
く、たとえ水銀燈スペクトル線でもよい。

第３図は複数波長にて信号検知する例である。第１図に
加えて、他波長の光源９′、受光器14′およびビームス
プリッタ11が配置されている。補正光学系16は使用波長
に応じて出入りする。もちろん、３波長以上をすること
も同様にして可能である。こうすることにより、ウエハ
のプロセス条件によらず常に良好なAAマーク像を得るこ
とが可能となる。

第４図は、イメージガイド17にて受光する例である。検
知光学系の実装が容易かつ低コストとなる。

なお、第１図においてウエハマーク結像光学系21は１対
で図示してあるが、マークと回析光のとび方向との関係
で必要あれば第５図の矢印方向でマークが観測できるよ
うに２対以上とすることも可能である。さらにウエハマ
ーク結像光学系のウエハ水平面の配置方向はAAマークエ
ッジに直交する方向である。

また、ウエハマーク結像光学系およびレチクルマーク結
像光学系は、上記実施例に限ることなく、像データを得
るためマークの像を結像するものであればどのようなも
のでもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、レチクルとウエ
ハの位置を異なる光学系で個別に検出して、レチクルと
ウエハを位置合わせする方法において、個々に検出され
た検出結果がどのような相対関係を有する時にレチクル
とウエハとが所定の位置関係になるかのオフセットを予
め精度良く検出しているため、実際の位置合わせ時に、
個々に検出された結果の相対関係からオフセットを補正
して精度良くレチクルとウエハとの位置ずれを検出でき
る。しかもこのオフセットはレチクルを交換してもとり
直す必要がないという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る位置合せ装置を適用
したステッパの要部概略図、 第２図は、ウエハへの照明光によるウエハ表面での反射
の様子を示す説明図、 第３〜５図は、本発明の他の実施例を説明する図であ
る。 1:レチクル、 3:投影レンズ、 4:ウエハ、 6:ウエハ段差部、 7:レチクルマーク結像光学系、 8:反射ミラー、 9:光源、 10,14,14′：マーク像検知素子、 21:ウエハマーク結像光学系。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レチクル上に描かれたパターンを投影光学
   系を介してレジストが塗布されたウエハ上に投影露光す
   る露光装置における、該レチクルと該ウエハとを位置合
   わせする位置合わせ方法において、 前記ウエハの位置にレジストが塗布されていない基準板
   を配置する段階； 第１の光学系によって、前記レチクル上のマークの像
   と、前記投影光学系を介した前記基準板上のマークの像
   とを検出して前記レチクルと前記基板との位置関係を検
   出する第１の検出段階と； 前記第１の光学系に比べ前記レジストの影響を受けずに
   前記ウエハ上のマークを検出する第２の光学系によっ
   て、前記第１の検出段階と同じ位置にある前記基準板上
   のマークの像を検出する第２の検出段階と； 前記第１及び第２の検出段階の検出結果に基づいて、前
   記レチクルと前記ウエハが所定の位置関係に位置する時
   の前記第１の光学系によって検出される前記レチクル上
   のマークの像位置と前記第２の光学系によって検出され
   る前記ウエハ上のマークの像位置との相対的関係をオフ
   セットとして記憶する段階と； 前記レチクルと前記ウエハを位置合わせする際は、前記
   レチクル結像光学系で検出する前記レチクルのマーク像
   位置と前記ウエハ結像光学系で検出する前記ウエハのマ
   ーク像位置との相対的関係から前記オフセットを補正し
   て該レチクルと該ウエハとの位置ずれを検出する段階と を有することを特徴とする位置合わせ方法。
2. 【請求項２】前記第２の光学系は、前記投影光学系を介
   さずに前記ウエハ上のマークを検出することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の位置合わせ方法。