JPH0927449A

JPH0927449A - 近接露光に適用される位置検出方法

Info

Publication number: JPH0927449A
Application number: JP7225165A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Miyatake; 勤宮武
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-05-11
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 1997-01-28
Anticipated expiration: 2015-09-01
Also published as: JP3048895B2

Abstract

(57)【要約】【目的】スループットを落とすことなく高精度なアラ
イメントを行うことができる位置検出方法を提供する。【構成】入射光を散乱させるエッジを有する位置合わ
せ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエハ
と、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用の
マスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光面
が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置す
る工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光
を照射し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジから
の散乱光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの
相対位置を検出する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アライメント時の位置
検出方法に関し、特に、近接露光のスループット向上に
適した位置検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズ系と画像処理系とを組み合わせた
アライメント装置において、アライメント時のウエハと
マスクの位置合わせ方法として、垂直検出法と斜方検出
法が知られている。垂直検出法は、アライメントマーク
をマスク面に垂直な方向から観測する方法であり、斜方
検出法は、斜めから観測する方法である。

【０００３】垂直検出法で用いられる合焦方法として、
色収差二重焦点法が知られている。色収差二重焦点法
は、マスクに形成されたマスクマークとウエハに形成さ
れたアライメントマークとを異なる波長の光で観測し、
色収差を利用して同一平面に結像させる方法である。色
収差二重焦点法は、原理的にレンズの光学的な分解能を
高く設定できるため、絶対的な位置検出精度を高めるこ
とができる。

【０００４】一方、アライメントマークを垂直方向から
観測するために、観測のための光学系が露光領域に入り
込む。このままで露光すると、光学系が露光光を遮るこ
とになるため、露光時には光学系を露光領域から退避さ
せる必要がある。退避させるための移動時間が必要にな
るため、スループットが低下する。また、露光時にアラ
イメントマークを観測できないため位置検出ができなく
なる。これは、露光中のアライメント精度低下の原因に
なる。

【０００５】斜方検出法は、光軸がマスク面に対して斜
めになるように光学系を配置するため、露光光を遮らな
いように配置することができる。このため、露光中に光
学系を退避させる必要がなく、露光中でもアライメント
マークを観測することができる。従って、スループット
を低下させることなく、かつ露光中の位置ずれを防止す
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】斜方検出法は、アライ
メントマークとマスクマークを斜方から観測して結像さ
せるため、像歪により位置検出の絶対精度が低下する。
これまで報告されている斜方検出方法では、観測光軸と
照明光軸とが分かれて対向する位置に配置されているた
め、両光軸の位置関係がずれやすい。両光軸の位置関係
がわずかにずれると像が変化し、正確な位置検出を行う
ことが困難になる。

【０００７】本発明の目的は、スループットを落とすこ
となく高精度なアライメントを行うことができる位置検
出方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウ
エハマークが形成された露光面を有するウエハと、入射
光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用のマスクマ
ークが形成された露光マスクとを、前記露光面が前記露
光マスクに対向するように間隙を挟んで配置する工程
と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を照射
し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱
光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位
置を検出する工程とを含む位置検出方法が提供される。

【０００９】本発明の他の観点によると、前記相対位置
を検出する工程において、前記露光面に対して斜めの観
測光軸を有する光学系で前記散乱光を観測し、前記照明
光は前記ウエハマーク及びマスクマークからの正反射光
が前記光学系に入射しない方向から照射される位置検出
方法が提供される。

【００１０】本発明の他の観点によると、前記照明光の
光軸と前記観測光軸とが共通である位置検出方法が提供
される。本発明の他の観点によると、前記相対位置を検
出する工程が、前記光学系の合焦点位置にあるウエハマ
ークのエッジからの散乱光の像と、合焦点位置にあるマ
スクマークのエッジからの散乱光の像とを、前記光学系
の光軸を含む入射面へ垂直投影した２つの像の間の距離
を測定する工程と、前記距離を測定する工程で測定され
た距離を基に、前記露光面と前記露光マスクとの間の間
隔を求める工程とを含む位置検出方法が提供される。

【００１１】

【作用】一般に、照明光軸と観測光軸とを同軸とし、光
軸を露光面に対して斜めに配置すると、通常ウエハマー
ク及びマスクマークからの正反射光が観測光軸の方向に
戻ってこないため、これらマークの像を観測することが
できない。ここで、正反射とは、平行光束を入射させた
とき反射光も平行光束となり、入射角と反射角が等しく
なるような反射をいう。ウエハマーク及びマスクマーク
に入射光を散乱させるエッジを設けておくと、散乱光の
うち観測光学系の対物レンズの開口内にある光束によっ
て像ができるため、このエッジ散乱光を観測することが
できる。

【００１２】また、ウエハマーク及びマスクマークから
の正反射光が観測光学系に入射せず、エッジからの散乱
光のみが入射するような方向から照明光を照射しても、
エッジ散乱光を観測することができる。

【００１３】観測光学系の受光面に結像するのは、合焦
点位置にあるウエハマーク及びマスクマークのエッジか
らの散乱光のみである。合焦点位置にあるウエハマーク
及びマスクマークのエッジからの散乱光の像を入射面に
垂直投影した２つの像の間の距離は、ウエハマーク及び
マスクマーク上の合焦点位置にあるエッジを入射面に垂
直投影した点の間の距離に対応する。ウエハマーク及び
マスクマーク上の合焦点位置にあるエッジを入射面に垂
直投影した点の間の距離から、露光面とマスク面との間
隔を求めることができる。

【００１４】

【実施例】まず、図１を参照して本発明の実施例で観測
するエッジ散乱光について説明する。

【００１５】図１は、ウエハ表面に形成された位置合わ
せ用のウエハマークの斜視図を示す。ウエハ表面１に長
方形の平面形状を有する凸部２が形成されている。この
長方形の各辺に平行な方向をｘ軸及びｙ軸とする座標系
を考える。ｙ軸に垂直な入射面を有する照明光をウエハ
表面１に斜入射したとき、凸部２の上面等の鏡面領域に
入射した光３は正反射し、エッジ部分に入射した光４は
散乱する。なお、本明細書中で、正反射とは、平行光束
を入射させたとき反射光も平行光束となり、入射角と反
射角が等しくなるような反射をいう。

【００１６】入射光軸と同軸の光軸を有する対物レンズ
５を含む光学系でウエハ表面１を観測する場合を考え
る。凸部２の上面等で正反射した光は対物レンズ５に入
射しないため、ウエハマークからの正反射光による像を
結ぶことはできない。これに対し、エッジからの散乱光
は四方八方に放射されるため、その一部が対物レンズ５
に入射する。従って、照明光の入射方向と同じ方向から
散乱光を観測することができる。本発明の実施例は、エ
ッジからの散乱光を観測することにより、ウエハの位置
検出を行うものである。

【００１７】図２（Ａ）は、本発明の実施例による位置
検出装置の概略断面図を示す。位置検出装置はウエハ／
マスク保持部１０、光学系２０、及び制御装置３０を含
んで構成されている。

【００１８】ウエハ／マスク保持部１０は、ウエハ保持
台１５、マスク保持台１６、及び駆動機構１７から構成
されている。位置合わせ時には、ウエハ保持台１５の上
面にウエハ１１を保持し、マスク保持台１６の下面にマ
スク１２を保持する。ウエハ１１とマスク１２とは、ウ
エハ１１の露光面とマスク１２との間に一定の間隙が形
成されるように配置される。ウエハ１１の露光面には、
位置合わせ用のウエハマーク１３が形成され、マスク１
４の下面（マスク面）には位置合わせ用のマスクマーク
１４が形成されている。

【００１９】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４に
は、入射光を散乱させるエッジが形成されている。これ
らのマークに光が入射すると、エッジに当たった入射光
は散乱し、その他の領域に当たった入射光は正反射す
る。

【００２０】駆動機構１７は、ウエハ保持台１５及びマ
スク保持台１６を相対的に移動することができる。図の
横方向にｘ軸、紙面に垂直な方向にｙ軸、露光面の法線
方向にｚ軸をとると、ウエハ１１とマスク１２は相対的
に、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、及びｚ軸の回りの回転方
向（θ_z方向）に移動可能である。なお、ｘ軸及びｙ軸
の回りの回転方向（θ_x、θ_y方向）にも回転可能であ
る。

【００２１】光学系２０は、像検出装置２１、レンズ２
２、ハーフミラー２３、及び光源２４を含んで構成され
ている。光学系２０は、その光軸２５が露光面に対して
斜めになるように配置されている。光源２４から放射さ
れた照明光はハーフミラー２３で反射して光軸２５に沿
った光束とされ、レンズ２２を通して露光面に斜入射さ
れる。光源２４はレンズ２２の像側の焦点に配置されて
おり、光源２４から放射された照明光はレンズ２２でコ
リメートされて平行光束になる。なお、光源２４は、照
射光の強度を調整することができる。

【００２２】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４の
エッジで散乱された散乱光のうちレンズ２２に入射する
光は、レンズ２２で収束されて像検出装置２１の受光面
に結像する。このように、光学系２０による照明は同軸
落射テレセン照明とされている。

【００２３】像検出装置２１は、受光面に結像したウエ
ハマーク及びマスクマークの像を光電変換し画像信号に
変換する。画像信号は制御装置３０に入力される。制御
装置３０は、像検出装置２１から入力された画像信号を
処理して、ウエハマーク１３とマスクマーク１４の相対
位置を検出する。さらに、ウエハマーク１３とマスクマ
ーク１４が所定の相対位置関係になるように、駆動機構
１７に対して制御信号を送出する。駆動機構１７は、こ
の制御信号に基づいて、ウエハ保持台１５もしくはマス
ク保持台１６を移動させる。

【００２４】図２（Ｂ）は、ウエハマーク１３及びマス
クマーク１４の相対位置関係を示す平面図である。四辺
がｘ軸もしくはｙ軸に平行に配置された長方形パターン
をｘ軸方向に３個配列して、１個のマークが構成されて
いる。なお、後述するように３個以上の長方形パターン
を配列してもよい。ウエハマーク１３は一対で形成され
ており、マスクマーク１４が一対のウエハマーク１３の
間に配置されている。

【００２５】図２（Ａ）のウエハマーク１３及びマスク
マーク１４は、図２（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１におけ
る断面を示している。ウエハマーク１３及びマスクマー
ク１４に入射した照明光は、図２（Ｂ）の各長方形パタ
ーンの光軸に向かって突き出したエッジで散乱される。
エッジ以外の領域に照射された光は正反射し、レンズ２
２には入射しない。従って、像検出装置２１でエッジか
らの散乱光のみを検出することができる。

【００２６】次に、エッジ散乱光による像の性質につい
て説明する。インコヒーレントな単色光による像の光強
度分布Ｉは、

【００２７】

【数１】

【００２８】と表される。ここで、Ｏ（ｘ，ｙ）は観測
物体表面からの反射光の強度分布、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は
レンズの点像強度分布（point spread function ）、積
分は観測物体の表面全域における積分を表す。

【００２９】図２（Ｂ）の各長方形パターンの１つのエ
ッジに着目すると、光を反射する微小な点がｙ軸に平行
に配列したものと考えることができる。この微小な１点
からの反射光強度分布をディラックのデルタ関数δと仮
定する。実際に、微小な１点からの散乱光の強度分布は
デルタ関数に近似することができるであろう。レンズの
アイソプラナティズムが成立する範囲で、エッジがｙ軸
方向に延びているとすると、Ｏ（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ）と
おくことができる。

【００３０】式（１）は、

【００３１】

【数２】

【００３２】と変形できる。このＩ（ｘ）はレンズの線
像強度分布（line spred function ）であり、

【００３３】

【数３】Ｉ（ｘ）＝ＬＳＦ（ｘ） …（３）と書くことができる。ここで、ＬＳＦ（ｘ）はレンズの
線像強度分布を表す。

【００３４】照明光が連続スペクトルを有する場合に
は、

【００３５】

【数４】

【００３６】と表される。ここで、λは光の波長、ＬＳ
Ｆλは波長λの線像強度分布、Δｘλは波長λの光に対
するレンズの色収差による線像の横ずれ量、積分は全波
長領域における積分を表す。

【００３７】式（４）から、エッジからの散乱光を観測
することはレンズの線像強度分布を観測していることと
等価になることがわかる。図２（Ｃ）の左図は、図２
（Ａ）の像検出装置２１の受光面に結像した像の形状を
示す。観測光軸を含む入射面と受光面との交線方向をｘ
軸、受光面内のｘ軸に直交する方向をｙ軸とすると、１
つのエッジによる像はｙ軸に平行な直線状形状になる。
従って、各マークの像は、ｙ軸に平行な直線状の像がｘ
軸方向に３個配列した形状になる。

【００３８】ウエハマーク１３のエッジ散乱光による一
対の像１３Ａの間に、マスクマーク１４のエッジ散乱光
による像１４Ａが形成されている。また、観測光軸が露
光面に対して斜めであるため、マスクマークの像１４Ａ
とウエハマークの像１３Ａとは、ｘ軸方向に関して異な
る位置に検出される。

【００３９】図２（Ｃ）の右図は、ウエハマークの像１
３Ａ及びマスクマークの像１４Ａのｙ軸方向の光強度分
布を示す。一方のウエハマークの像１３Ａとマスクマー
クの像１４Ａとのｙ軸方向の距離をｙ１、他方のウエハ
マークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａとのｙ軸方
向の距離をｙ２とする。ｙ１とｙ２を測定することによ
り、図２（Ｂ）におけるウエハマーク１３とマスクマー
ク１４のｙ軸方向の相対位置関係を知ることができる。

【００４０】例えば、マスクマークがｙ軸方向に関して
一対のウエハマークの中央にくるように位置決めしたい
場合には、ｙ１とｙ２とが等しくなるように、ウエハも
しくはマスクのうち一方を他方に対して相対的に移動さ
せればよい。このようにして、図２（Ｂ）におけるｙ軸
方向に関して位置合わせすることができる。図２
（Ａ）、（Ｂ）に示すような位置合わせ用のマークと光
学系とを３組配置することにより、ｘ軸、ｙ軸及びθ_z
方向に関して位置合わせすることができる。

【００４１】次に、露光面とマスク面との間隔を測定す
る方法について説明する。像検出装置２１の受光面に結
像している物点は、光学系２０の物空間において光軸に
垂直な平面上にある。以下、この平面を「被結像面」と
よぶ。

【００４２】ウエハマーク及びマスクマークの各エッジ
のうち、被結像面上にあるエッジからの散乱光は受光面
上に合焦するが、被結像面上にないエッジからの散乱光
は合焦せず被結像面から遠ざかるに従ってピントがぼけ
る。従って、各マークのエッジのうち被結像面に最も近
い位置にあるエッジからの散乱光の像が最も鮮明にな
り、そのエッジからｘ軸方向に離れるに従って像がぼけ
る。

【００４３】図２（Ｃ）において、距離ｘ₁は、ウエハ
マークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａのそれぞれ
最もピントが合っている点のｘ軸方向の距離を表す。す
なわち、距離ｘ₁は、ウエハマークの合焦点とマスクマ
ークの合焦点とを入射面へ垂直投影した点の距離にほぼ
等しい。

【００４４】図２（Ｄ）は、ウエハ面１１及びマスク面
１２の被結像面近傍の入射面における断面図を示す。点
Ｑ₂はウエハ面１１と被結像面との交線上の点、点Ｑ₁
はマスク面１２と被結像面との交線上の点である。線分
Ｑ₁Ｑ₂の長さが図２（Ｃ）における距離ｘ₁に対応す
る。

【００４５】線分Ｑ₁Ｑ₂の長さをＬ（Ｑ₁Ｑ₂）で表
すと、露光面１１とマスク面１２との間隔δは、

【００４６】

【数５】 δ＝Ｌ（Ｑ₁Ｑ₂）×ｓｉｎ（α） …（５）と表される。ここで、αはウエハ面１１の法線方向と光
軸２５とのなす角である。従って、図２（Ｃ）における
距離ｘ₁を測定して線分Ｑ₁Ｑ₂の長さを求めることに
より、間隔δを知ることができる。間隔δをより正確に
知るためには、距離ｘ₁を正確に測定することが好まし
い。このためには、レンズの焦点深度が浅いほうがよ
い。

【００４７】制御装置３０に、予め距離ｘ₁の目標値を
記憶させておき、測定された距離ｘ ₁が目標値に近づく
ように駆動機構１７を制御することにより、ウエハ面１
１とマスク面１２との間隔を所望の間隔に設定すること
ができる。

【００４８】次に、ウエハマーク及びマスクマークから
の散乱光を観察した実験結果について説明する。図３
（Ａ）は、観察対象のウエハマーク及びマスクマークの
平面図を示す。図の横方向に長い長方形のパターンが縦
方向に４μｍピッチで配列している。実際には、重ね合
わせ精度評価用のバーニアのパターンを用いた。

【００４９】図３（Ａ）に示す形状のウエハマークがレ
ジスト、ポリシリコン、若しくはアルミニウムで形成さ
れたウエハ、及び図３（Ａ）に示す形状のマスクマーク
が形成されたマスクについて観察を行った。図３（Ｂ）
〜（Ｅ）は、それぞれ各ウエハもしくはマスクの図２
（Ａ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面の一部を示
す。

【００５０】図３（Ｂ）は、レジストでウエハマークを
形成したウエハを示す。シリコン基板４０の表面上にレ
ジストパターン４１が形成されている。レジストパター
ン４１の厚さは１．８μｍである。

【００５１】図３（Ｃ）は、ポリシリコンでウエハマー
クを形成したウエハを示す。シリコン基板５０の表面上
にＳｉＯ₂膜５１が形成され、ＳｉＯ₂膜５１の表面上
にポリシリコンでウエハマーク５２が形成されている。
ＳｉＯ₂膜５１の表面及びウエハマーク５２を覆うよう
にレジスト膜５３が塗布されている。ＳｉＯ₂膜５１の
厚さは１０２．６ｎｍ、ウエハマーク５２の厚さは１９
８．６ｎｍ、レジスト膜５３の厚さは１．８μｍであ
る。この基板をＭＯＳＦＥＴの製造工程途中の基板と考
えると、ＳｉＯ₂膜５１はゲート絶縁膜に対応し、ポリ
シリコンのウエハマーク５２はゲート電極に対応する。

【００５２】図３（Ｄ）は、アルミニウムでウエハマー
クを形成したウエハを示す。シリコン基板６０の表面上
にＳｉＯ₂膜６１が形成され、ＳｉＯ₂膜６１の上にア
ルミニウムでウエハマーク６２が形成されている。Ｓｉ
Ｏ₂膜６１の表面及びウエハマーク６２を覆うようにレ
ジスト膜６３が塗布されている。ウエハマーク６２の厚
さは５２３ｎｍ、レジスト膜６３の厚さは１．８μｍで
ある。なお、ウエハマーク６２の表面には反射防止用の
シリコン膜が形成されている。

【００５３】図３（Ｅ）は、マスクマークが形成された
マスクを示す。ＳｉＮからなるＸ線透過膜７０の下面に
タンタルからなるマスクマーク７１が形成されている。
Ｘ線透過膜７０の厚さは２μｍ、マスクマーク７１の厚
さは０．７５μｍである。

【００５４】図３（Ｂ）〜（Ｅ）に示すサンプルを、図
３（Ａ）において露光面（紙面）の法線方向から図の下
方に３０°傾けた方向から金属顕微鏡で観察した。な
お、図３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すウエハマークを観察する
ときには、Ｘ線露光用マスクのＸ線透過膜を通して観察
した。使用した金属顕微鏡の対物レンズの開口数ＮＡは
０．４、結像倍率は１００倍であり、照明光はハロゲン
ランプからの白色光、照明方法は同軸落射テレセン照明
である。

【００５５】図３（Ｆ）は、ポリシリコンでウエハマー
クを形成したウエハ（図３（Ｃ））を観察した顕微鏡写
真をスケッチした図である。像の上から約１／３あたり
の部分において、２本のエッジ散乱光の像が鮮明に現れ
ている。その上下にあるエッジからの散乱光の像は、ピ
ントが合っていないためぼけている。このように、ピン
トが合っている領域においては鮮明な像を検出すること
ができた。マスクとウエハ間での光干渉は見られなかっ
た。図３（Ｂ）、図３（Ｄ）、及び図３（Ｅ）のウエハ
もしくはマスクについても、図３（Ｃ）のウエハと同様
に鮮明な像を検出することができた。

【００５６】図３（Ｇ）は、光学倍率１００倍、電気倍
率９．３倍のテレビカメラで観察したときの画像を示
す。水平走査方向が、図３（Ａ）の横方向になるように
した。走査線の間隔は１５μｍである。すなわち、偶数
フィールドのみの走査線の間隔は３０μｍになる。図３
（Ｇ）に示すように、図の中央の３本の像が鮮明に現れ
ており、その上下の像はぼけている。他のサンプルにつ
いても、図３（Ｃ）のウエハと同様に鮮明な像を検出す
ることができた。

【００５７】図４は、図３（Ｇ）の上から３本目の鮮明
な像の信号波形を示す。図４（Ａ）〜図４（Ｆ）は、そ
れぞれ偶数フィールドの１２０番目〜１２５番目の走査
線の信号波形を示す。横軸は水平走査方向を表し、縦軸
は光強度を表す。横軸の中央が図３（Ｇ）の像の横方向
のほぼ中央に対応している。

【００５８】図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示すように、１
２１番目〜１２４番目の４本の走査線において、中央に
矩形状のピークが現れている。このピークがエッジ散乱
光による像に対応している。なお、中央のピークの両側
にあるマイナスのピークは、ビデオ信号の水平同期信号
である。

【００５９】図３（Ｇ）の上から４番目及び５番目の像
についても、３番目の像に対応する信号波形と同様の波
形を得ることができた。４番目の像については５本、５
番目の像については４本の走査線においてピークが検出
された。すなわち、図３（Ｇ）の鮮明に現れた３つの像
に対して、合計１３本の走査線においてピークが検出さ
れた。

【００６０】奇数フィールドの走査線も考慮すると、合
計２６本の走査線においてピークが検出される。走査線
の間隔が１５μｍであり、光学倍率が１００倍であるた
め、ピークが現れた走査線の信号波形を検出することは
観測物体面上で２６〔本〕×１５〔μｍ／本〕÷１００
＝３．９〔μｍ〕の幅を有する範囲のマークを検出して
いることと等価になる。この範囲の大きさは、従来の色
収差２重焦点方式を用いた位置検出で検出できる範囲と
同等の大きさである。なお、検出可能範囲を拡大するた
めには、図３（Ａ）における長方形状パターンの配列ピ
ッチを狭くすればよい。

【００６１】鮮明なピークを有する信号波形が得られれ
ば、特開平２−９１５０２号公開公報の３ページ左下欄
１１行目〜７ページ左上欄３行目に開示されている相似
性パターンマッチング方法を用いて、位置検出を行うこ
とができる。

【００６２】本発明の実施例によると、ウエハマーク及
びマスクマークを斜方から観測することにより、エッジ
の長手方向に関して位置合わせを行うことができる。光
学系を露光範囲内に配置する必要がないため、位置合わ
せ後にウエハを露光する場合、露光中も常時位置検出が
可能である。また、照明光軸と観察光軸を同軸にしてい
るため、軸ずれがなく常に安定した像を得ることができ
る。

【００６３】また、テレセン照明としているため、焦点
深度の範囲内でエッジが移動したときのエッジ散乱光の
像の変化を抑制することができる。照明光のうち正反射
光は観測光学系に入射せず、散乱光のみが入射するた
め、照明光の強度を調整することにより、像のＳ／Ｎ比
を調整することができる。エッジ散乱光は、露光面上に
塗布されたレジスト膜中等で干渉しないため、干渉の影
響を受けず安定して位置検出を行うことができる。ま
た、インコヒーレントな照明光を使用するため、ウエハ
面とマスク面とのギャップでの光干渉もない。なお、コ
ヒーレント光を用いてもエッジ散乱光の観測は可能であ
る。

【００６４】図３及び図４に示す観察実験では、観察光
軸と露光面の法線とのなす角度を３０度としたが、１５
度〜４５度の範囲で変化させた場合にもエッジ散乱光に
よる鮮明な像を検出することができた。

【００６５】上記実施例では、照明光軸と観測光軸とが
同軸である場合を説明したが、照明光軸と観測光軸との
位置関係を必ずしも同軸にする必要はない。前述のよう
に照明光の正反射光が観測光学系に入射しないような位
置関係であればよい。例えば、照明光軸と観測光軸とを
露光面に垂直投影した２つの線像の相互になす角度が９
０度よりも小さくなるような位置関係としてもよい。

【００６６】図５（Ａ）は、照明光軸と観測光軸とを露
光面に垂直投影した２つの線像の相互になす角度が９０
度よりも小さくなるような位置関係とした場合の位置合
わせ用のマーク、照明光学系、及び観測光学系の位置関
係を示す概略平面図である。露光領域ＥＡ内にｘ軸方向
の位置合わせ用マークＭ_x、ｙ軸方向の位置合わせ用マ
ークＭ_y1及びＭ_y2が配置されている。なお、図５（Ａ）
ではウエハマークとマスクマークとをまとめて１つのマ
ークとして表している。

【００６７】３つのマークＭ_x、Ｍ_y1及びＭ_y2により、
ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｘｙ面内の回転方向（θ_z方
向）の位置合わせを行うことができる。マークＭ_xに
は、照明光学系Ｌ_xから照明光が照射され、マークＭ_x
からのエッジ散乱光が観測光学系Ｄ_xにより観測され
る。照明光学系Ｌ_xの光軸と観測光学系Ｄ_xの光軸とを
露光面へ垂直投影した２つの線像の相互になす角度α_x
が９０度よりも小さいため、観測光学系Ｄ_xと照明光学
系Ｌ_xとを共に露光エリアＥＡに対して一方の側に配置
することができる。

【００６８】マークＭ_y1、Ｍ_y2用のそれぞれの照明光学
系Ｌ_y1、Ｌ_y2及び観測光学系Ｄ_y1、Ｄ_y2も、同様に露光
エリアＥＡの一方の側に配置することができる。なお、
照明光軸と観測光軸とを露光面へ垂直投影した像が重な
り、両光軸とＺ軸とのなす角のみが異なるようにしても
よい。

【００６９】図５（Ｂ）は、露光面に対して斜方から照
明光を照射して、マークからの正反射光を観測して位置
合わせを行う従来方法の場合の位置合わせ用のマーク、
照明光学系、及び観測光学系の位置関係を示す概略平面
図である。図５（Ａ）の場合と同様に露光エリアＥＡ内
に位置合わせ用のマークＭ_x、Ｍ_y1及びＭ_y2が配置され
ている。

【００７０】マークからの正反射光を観測するために
は、照明光軸と観測光軸とを露光面の法線に関して対称
の位置に配置する必要がある。例えば、マークＭ_xに図
の上方にある照明光学系Ｌ_xから照明光が照射され、図
の下方に配置された検出光学系Ｄ_xで正反射光を観測す
る。このため、照明光学系と観測光学系とを露光エリア
を挟んで相互に対向する位置に配置する必要がある。ま
た、照明光軸と観測光軸との相対位置のずれを防止する
ために、照明光学系Ｌ_xと検出光学系Ｄ_xとを１つの固
定部材Ｆ_xに取り付けることが好ましい。

【００７１】マークＭ_y1、Ｍ_y2用のそれぞれの照明光学
系Ｌ_y1、Ｌ_y2及び検出光学系Ｄ_y1、Ｄ_y2も、同様に露光
エリアを挟んで相互に対向する位置に配置する必要があ
る。また、照明光学系Ｌ_y1と検出光学系Ｄ_y1を固定部材
Ｆ_y1に取り付け、照明光学系Ｌ_y2と検出光学系Ｄ_y2を固
定部材Ｆ_y2に取り付けることが好ましい。このため、露
光エリアＥＡの周囲の光学系の配置が複雑になり、装置
も大型化する。

【００７２】これに対し、図５（Ａ）に示す位置合わせ
装置の場合は、前述のように照明光学系と観測光学系と
を露光エリアＥＡに対して一方の側に配置することがで
きるため、光学系の配置が単純になる。このため、装置
を小型化することができ、かつ光軸調整も容易になる。

【００７３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
斜方からウエハマーク及びマスクマークを観察して、高
精度に位置検出することができる。位置合わせを行った
後にウエハを露光する場合、露光範囲に光学系を配置す
る必要がないため、露光期間中も常時位置検出を行うこ
とができる。このため、高精度な露光が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ウエハマークからの反射及びエッジ散乱の様子
を説明するための、ウエハマークの斜視図である。

【図２】図２（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位置
検出装置の概略断面図、図２（Ｂ）は、ウエハマーク及
びマスクマークの平面図、図２（Ｃ）は、ウエハマーク
及びマスクマークからのエッジ散乱光による像及び像面
内の光強度分布を示す図、図２（Ｄ）は、ウエハ面及び
マスク面の被結像面近傍の断面図である。

【図３】図３（Ａ）は、ウエハマークもしくはマスクマ
ークの平面図、図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）は、ウエハマー
クが形成されたウエハの断面図、図３（Ｅ）は、マスク
マークが形成されたマスクの断面図、図３（Ｆ）は、図
３（Ａ）に示すウエハマークからのエッジ散乱光を金属
顕微鏡写真をスケッチした図、図３（Ｇ）は、図３
（Ａ）に示すウエハマークからのエッジ散乱光をテレビ
カメラで観測した画像をスケッチした図である。

【図４】図３（Ｇ）のテレビカメラによる写真の各走査
線ごとの信号波形を示す図である。

【図５】光学系の配置を示すための、光学系及び露光エ
リアの平面図である。

【符号の説明】

１ウエハ表面２凸部３、４照明光５対物レンズ１０ウエハ／マスク保持部１１ウエハ１２マスク１３ウエハマーク１４マスクマーク１５ウエハ保持台１６マスク保持台１７駆動機構２０光学系２１像検出装置２２レンズ２３ハーフミラー２４光源２５光軸３０制御装置４０、５０、６０シリコン基板４１、５２、６１ウエハマーク５１ＳｉＯ₂膜５３、６２レジスト膜７０Ｘ線透過膜７１マスクマーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を散乱させるエッジを有する位置
合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエ
ハと、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用
のマスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光
面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置
する工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を照射し、
ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を
観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位置を
検出する工程とを含む位置検出方法。
【請求項２】前記相対位置を検出する工程において、
前記露光面に対して斜めの観測光軸を有する光学系で前
記散乱光を観測し、前記照明光は前記ウエハマーク及び
マスクマークからの正反射光が前記光学系に入射しない
方向から照射される請求項１に記載の位置検出方法。
【請求項３】前記相対位置を検出する工程において、
前記照明光の光軸を前記露光面へ垂直投影した線像と、
前記観測光軸を前記露光面へ垂直投影した線像とのなす
角度が９０度よりも小さい請求項２に記載の位置検出方
法。
【請求項４】前記照明光の光軸と前記観測光軸とが共
通である請求項３に記載の位置検出方法。
【請求項５】前記照明光は、コリメートされた光であ
る請求項４に記載の位置検出方法。
【請求項６】前記相対位置を検出する工程が、前記エ
ッジの長手方向に関する相対位置を検出する請求項１〜
５のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項７】前記相対位置を検出する工程は、前記光学系の合焦点位置にあるウエハマークのエッジか
らの散乱光の像と、合焦点位置にあるマスクマークのエ
ッジからの散乱光の像とを、前記光学系の光軸を含む入
射面へ垂直投影した２つの像の間の距離を測定する工程
と、前記距離を測定する工程で測定された距離を基に、前記
露光面と前記露光マスクとの間の間隔を求める工程とを
含む請求項２〜６に記載の位置検出方法。