JPH09312251A - 投影露光装置 - Google Patents

投影露光装置

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JPH09312251A
JPH09312251A JP8127303A JP12730396A JPH09312251A JP H09312251 A JPH09312251 A JP H09312251A JP 8127303 A JP8127303 A JP 8127303A JP 12730396 A JP12730396 A JP 12730396A JP H09312251 A JPH09312251 A JP H09312251A
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JP
Japan
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mark
reticle
shaped
image
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Application number
JP8127303A
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English (en)
Inventor
Manabu Toguchi
学 戸口
Katsuya Machino
勝弥 町野
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度かつ高速で位置ずれを検出することの
できるアライメント系を提供する。 【解決手段】 レチクルに設けるマークと基準部材に設
けるマークとをV字型マークと逆V字型マークによって
構成し、両マークの位置ずれを撮像手段にて検出する。
撮像される2つの光像41a,41bの相対位置変化Δ
Lx,ΔLyからX方向の位置ずれΔXとY方向の位置
ずれΔYを一度の検出動作で計測する。2つのV字型マ
ーク36,40の開き角の組み合わせ変えることにより
X方向とY方向の位置ずれ検出感度を変えることがで
き、高感度に設定した検出方向では検出誤差を圧縮する
ことが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、感光基板上に半導
体素子や液晶表示素子等のパターンを露光するのに使用
される投影露光装置、並びに投影露光装置における位置
合わせ方法及び投影光学系の光学特性測定方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子の製造工程の
一つであるフォトリソグラフィ工程においては、投影露
光装置を用いて、フォトマスクやレチクル(以下、レチ
クルという)に形成されたパターンをフォトレジスト等
の感光剤が塗布されたウエハやガラスプレート等の感光
基板上に投影露光することが行われる。このときレチク
ルと感光基板とを正確に位置合わせして露光する必要が
ある。位置合わせ(アライメント)は、感光基板を載置
して移動する基板ステージの移動座標系に対するレチク
ルの位置計測、前記移動座標系に対する感光基板の位置
計測、レチクルと感光基板の相対位置計測等を介して行
われる。また、複数のマークが設けられたテストレチク
ルの像を投影光学系によって投影し、投影されたマーク
像の位置を計測することにより投影光学系のディストー
ションなどの光学特性を測定することが行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】例えば、基板ステージ
移動座標系に対してレチクルをアライメントするレチク
ルアライメントにおいては、レチクル上のアライメント
マークと基板ステージ上に設けられた基準マークとの位
置ずれ量を投影光学系を介してアライメントセンサによ
り計測する。従来、レチクル上のアライメントマーク及
び基準マークとしては、X方向の位置ずれ計測用のマー
クとY方向の位置ずれ計測用のマークが各々個別に設け
られており、ある計測点でX方向とY方向の2方向の位
置ずれを計測しようとすると2回の位置検出動作が必要
である。さらに、レチクルの回転及びX,Y方向のシフ
ト量を検出するためには2箇所以上の計測点で位置ずれ
量を検出しなければならず、(2箇所以上の計測点の
数)×2回の位置検出動作が必要になる。そのため、露
光前のレチクル準備(アライメント)に多大な時間を必
要とした。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑
みてなされたもので、高精度かつ高速で位置ずれを検出
することのできるアライメント系を提供することを目的
とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明では、レチクルに
設けるマークと基準部材に設けるマークを光透過性のV
字型マークと光透過性の逆V字型マークによって構成
し、両マークの位置ずれを撮像手段にて検出することで
前記目的を達成する。すなわち、本発明は、転写すべき
パターンが形成されたレチクルを照明する照明系と、レ
チクルのパターン像を感光基板上に形成する投影光学系
と、基準マークを有する基準部材が設けられ感光基板を
載置して2次元方向に移動可能な基板ステージとを備え
る投影露光装置において、基準部材に設けられた基準マ
ークをV字型の光透過性マークとし、レチクルに設けら
れたV字型の光透過性アライメントマークとV字型基準
マークの重ね合わせ像を撮像手段によって撮像すること
を特徴とする。
【0005】レチクルに設けられたV字型マークと基準
部材に設けられたV字型基準マークは投影光学系を介し
てV字型と逆V字型の関係で重ね合わせられ、撮像手段
はV字型の図形と逆V字型の図形の斜辺同士が重なり合
ってできる2つの四角形の光像を撮像する。V字型の図
形の対称軸がY軸に平行に設定されている場合を例にと
ると、この2つの光像のX方向の距離から2つのマーク
のY方向の位置ずれ量が求められ、2つの光像のY方向
の距離からX方向の位置ずれ量が求められる。したがっ
て、1回の処理でX方向とY方向の2方向の位置ずれ検
出が可能となり、アライメントに要する時間を大幅に短
縮することができる。この2つのV字型マークを用いる
位置ずれ検出法は、投影露光装置において、レチクルを
基板ステージの移動座標系に対して位置合わせするレチ
クルアライメントに利用することができる。
【0006】また、所定の配列で複数のマークを形成し
たテストレチクルを用い、投影光学系によってその複数
のマークの像を基板ステージ上に投影し、基板ステージ
上の基準部材に設けられた基準マークとの重ね合わせ像
を撮像することでマーク像の設計位置との位置ずれを計
測して、投影光学系のディストーション等の光学特性を
測定することが行われるが、そのときのレチクル及び基
準部材に設けるマークとして前記V字型マークを用いる
ことができる。
【0007】V字型マークの開き角は種々に設定するこ
とができ、レチクルに設けられたV字型アライメントマ
ークの開き角と基準部材に設けられたV字型基準マーク
の開き角は同じであってもよいし、異なっていてもよ
い。そして、2つのV字型マークの開き角の組み合わせ
変えることによりX方向とY方向の位置ずれ検出感度を
変えることができ、高感度に設定した検出方向では検出
誤差を圧縮することが可能になる。したがって、液晶素
子のパターン形成等において位置合わせの精度に対する
要求が厳しい方向が予め分かっている場合、レチクルア
ライメントマークとしてその方向の検出感度が高くなる
ように開き角が設定されたV字型マークを設けておくと
好都合である。あるいは、基準部材又はレチクルに開き
角の異なる複数のV字型マークを設けておき、高精度の
検出が要求される方向に応じて用いるV字型マークを選
択するようにすることもできる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳述する。図1は、本発明による露光装置の
概略図である。露光装置は、露光用照明光源10、感光
基板上に露光すべきパターン13が形成されたレチクル
12、投影光学系15、感光基板を載置して2次元方向
に移動可能な基板ステージ16等を備える。基板ステー
ジ16は、駆動手段17により基板ステージ移動座標系
(XY座標系)に沿って移動される。基板ステージ16
には移動鏡18が固定されており、レーザ干渉計19で
移動鏡18との距離を計測することにより基板ステージ
移動座標系内における基板ステージ16の2次元位置が
検出される。基板ステージ駆動系20は、レーザ干渉計
19の出力をモニターしながら駆動手段17を作動させ
て、基板ステージ16を所定位置にステップさせる。ま
た、基板ステージ16には、その上に載置される感光基
板の表面と同じ高さ位置に基準マークを有する基準部材
21が設けられている。
【0009】図2は、レチクルの平面図及びレチクルに
設けられたアライメントマークの説明図である。レチク
ル12は、図2(a)に示すように、感光基板に転写す
べきパターンが形成されたパターン領域13とその外側
に設けられたアライメントマーク領域14a,14bを
有する。アライメントマーク領域14a,14bには、
図2(b)に拡大して示すように、レチクル上に蒸着し
たクロム層30に形成された開き角θ1のV字型開口か
らなるアライメントマーク31a,31bが形成されて
いる。アライメント光は、V字型アライメントマーク3
1a,31bの部分を透過する。図示したV字型アライ
メントマーク31aは、V字の対称軸をY軸に平行にし
て配置されているが対称軸をX軸に平行にして配置して
もよい。
【0010】図3は、基準部材21に設けられた基準マ
ーク36の略図である。基準マーク36も、透明部材上
のクロム層35に形成された開き角θ2のV字型開口か
らなり、V字型基準マークの部分を光が透過する。この
例の基準マーク36は、V字の対称軸をY軸に平行にし
て配置されている。ただし、レチクルに設けられたアラ
イメントマークがX軸に平行な対称軸を有するV字型マ
ークである場合には、基準マーク36もX軸に平行な対
称軸を有するV字型マークとする。また、レチクル12
に設けられたV字型アライメントマーク31a,31b
と基準部材21に設けられたV字型基準マーク36は、
投影光学系15に関して共役な位置にあり、2つのマー
クは投影光学系15を介してV字と逆V字の関係で重ね
合わされるように配置されている。
【0011】いま、レチクル12に形成されたアライメ
ントマーク31a,31bと基板ステージ16の基準部
材に形成された基準マーク36を用いて、基板ステージ
座標系に射影したレチクル12の位置を計測する場合に
ついて考える。まず、投影光学系15によるレチクル1
2上のアライメントマーク31aの結像位置に、基準マ
ーク36が位置するように基板ステージ16を駆動して
アライメントマーク31aの位置ずれ量を計測する。ア
ライメント用の光源として露光用照明光源10を用いる
場合、露光用照明光源10からの照明光27は、照明光
学系11を通り、レチクル12上の所定の位置に配され
たV字型アライメントマーク31aに照射される。この
アライメントマーク31aは前述のように光透過性のマ
ークであり、マーク31aを透過した光束は投影光学系
15によって基板ステージ16上に配置された基準部材
21のV字型基準マーク36上に、例えば図4に破線で
示すようにV字と逆V字の関係をもって結像される。
【0012】V字型基準マーク36は、レチクル12の
アライメントマーク31aと同様に光透過性のマークで
あり、V字型基準マーク36を通過した光束は、リレー
レンズ22によって基板ステージ16内に配置されたC
CD撮像手段23の撮像面に再結像される。CCD撮像
手段23で撮像された画像は画像処理手段24によって
後述のように画像処理され、その情報は信号処理手段2
5に入力される。またレーザ干渉計19からの出力信号
も信号処理手段25に入力され、基板ステージ移動座標
系に射影したアライメントマーク31aの位置座標が計
測される。
【0013】アライメントマーク31aの計測が終了す
ると、駆動手段17によって基板ステージ16を駆動
し、投影光学系15によるアライメントマーク31bの
結像位置に基準部材21を移動して、同様に画像処理に
よってアライメントマーク31bの位置ずれ量を計測す
る。アライメントマーク31a,31bの計測結果から
周知の方法でレチクル12のローテーション及びシフト
が算出され、それが許容値外であれば許容値内になるよ
うにレチクル12のローテーション、シフトが調整され
る。
【0014】ここでは基板ステージ16上に基準マーク
36を1つだけ設けた場合について説明したが、レチク
ル12上に配置した2つのアライメントマーク31a,
31bの間隔にならって基板ステージ15上に基準部材
を2個配置することもできる。その場合には、レチクル
12上の一方のアライメントマーク31aの投影位置を
一方の基準マークで計測し、他方のアライメントマーク
の投影位置を他方の基準マークによって計測すること
で、レチクル12の位置合わせ(アライメント)に要す
る時間を大幅に短縮することができる。
【0015】次に、V字型アライメントマークとV字型
基準マークを用いた位置ずれ量検出方法について詳細に
説明する。図4は、CCD撮像手段23によって撮像さ
れた光像の略図である。この光像41a,41bは、レ
チクル12上のV字型アライメントマーク31a(31
b)の投影像40と基板ステージ16の基準部材21に
形成されたV字型基準マーク36とが重なり合った部分
の位置及び形状を反映している。図4は、理想的なアラ
イメント状態を示しており、2つの光像41a,41b
のX方向の間隔はLx=L、Y方向の間隔はLy=0で
ある。
【0016】図5は、レチクル12の投影像が理想のア
ライメント状態からX方向にのみ変位したとき、CCD
撮像手段23によって撮像される2つの光像41a,4
1bの位置関係を示す。図5(a)は、V字型基準マー
ク36に対してレチクルのV字型アライメントマークの
像40が+X方向にΔXだけ変位した状態を示し、この
とき2つの光像41a,41bのY方向位置は光像41
bに対して光像41aが+Y方向にΔLyだけ変位して
いる。一方、図5(b)は、V字型基準マーク36に対
してレチクルのアライメントマークの像40が−X方向
にΔXだけ変位した状態を示し、このとき2つの光像4
1a,41bのY方向位置は光像41bに対して光像4
1aが−Y方向にΔLyだけ変位している。
【0017】また、図6は、レチクル12の投影像が理
想のアライメント状態に対してY方向にのみ変位したと
きに、CCD撮像手段23によって撮像された2つの光
像41a,41bの位置関係を示す。図6(a)はV字
型基準マーク36に対してレチクル12のV字型アライ
メントマークの像40が−Y方向にΔYだけ変位した状
態を示し、図6(b)はV字型基準マーク36に対して
レチクル12のV字型アライメントマークの投影像40
が+Y方向にΔYだけ変位した状態を示す。このとき2
つの光像34a,34bのX方向の間隔は(Lx+ΔL
x)となる。図から明らかなように、ΔYがプラスのと
きΔLxはマイナスであり、ΔYがマイナスのときΔL
xはプラスである。
【0018】次に、CCD撮像手段23上に結像された
2つの光像41a,41bの位置を画像処理手段24に
よって検出する方法について説明する。図7は、CCD
撮像手段23によって撮像された画像50を示す。画像
処理手段24には、V字型マーク51と逆V字型マーク
52の重なりによって形成される2つの四角形の像と同
形状の画像が、モデル画像53,54として予め登録さ
れている。画像処理手段24は、このモデル画像53,
54を用いて周知のパターンマッチングの手法によって
画像50内で2つの光像41a,41bを検出し、検出
された光像41a,41bの位置データに基づいて両者
のX方向及びY方向の相対位置変化ΔX,ΔYを演算す
る。なお、光像41a,41bの相対位置は画像処理以
外の方法で検出することもできる。例えば、CCD撮像
手段23の全素子の輝度差をモニターすることで光像4
1a,41bを受光している素子のアドレスを知り、そ
のアドレスから2つの光像41a,41bの相対位置を
検出してもよい。
【0019】次に、CCD撮像手段23で検出された2
つの光像41a,41bの相対位置変化ΔX,ΔYから
レチクル12の位置ずれ量を検出する方法について説明
する。レチクル12に設けられたV字型アライメントマ
ーク31a,31bのV字の開き角をθ1、基板ステー
ジ16上の基準部材21に設けられたV字型基準マーク
36のV字の開き角をθ2とする。いま、レチクル12
のアライメントマークの像が理想的アライメント状態か
らX方向にΔX、Y方向にΔYずれていたとすると、C
CD撮像手段23上に形成される2つの光像41a,4
1bのX方向の間隔の変化ΔLx、及びY方向の間隔の
変化ΔLyは、それぞれ次の〔数1〕及び〔数2〕で表
される。
【0020】
【数1】ΔLy=2ΔX{cos(θ1/2)・cos(θ2/2)}
/{sin[(θ12)/2]}
【0021】
【数2】ΔLx=−2ΔY{sin(θ1/2)・cos(θ2/
2)}/{sin[(θ12)/2]}
【0022】ここでθ1=θ2=π/2とすると、ΔLy
=ΔX,ΔLx=−ΔYとなる。V字型マークの開き角
θ1,θ2は任意に設定可能である。また、基板ステージ
16上の基準部材21に設ける基準マーク36は1種類
であってもよいし、図8に示すように、開き角θ2の異
なるV字型基準マーク37,38を複数設けておき、目
的に合わせて使用する基準マークを選択するようにして
もよい。
【0023】本発明によると、レチクル12に形成する
V字型アライメントマーク31a,31bの開き角θ1
と基準部材21に形成するV字型基準マーク36の開き
角θ2の組み合わせを選択することによって、マーク位
置検出時に発生する検出誤差を圧縮する倍率効果が期待
できる。レチクル12のX方向の位置ずれ量を高精度で
測定するには、例えばθ1=π/2,θ2=2π/3とす
る。この場合、前記〔数1〕は次の〔数3〕のようにな
る。
【0024】
【数3】ΔLy=1.27ΔX
【0025】この〔数3〕は、レチクルのマーク像のX
方向の変位ΔXが変位ΔLyに1.27倍に拡大されて
表れることを示している。すなわち、θ1=π/2,θ2
=2π/3と設定することによって、X方向の変位ΔX
が1.27倍に拡大される倍率効果が得られる。逆に、
レチクル12のY方向の位置ずれ量を厳しく測定するに
は、例えばθ1=π/2,θ2=π/3とする。このと
き、前記〔数2〕は次の〔数4〕にようになり、レチク
ルのマーク像のY方向の変位ΔYを1.27倍に拡大し
て計測することができる。
【0026】
【数4】ΔLx=−1.27ΔY
【0027】図9(a)に示すような液晶表示素子の重
ね合わせパターンの露光について考える。ソース線63
を有する信号線61及びドレン線64を有するピクセル
素子62のパターンが形成された感光基板上に、ゲート
線65のパターンを重ね合わせて露光するものとする。
図9(b)は、ゲート66とソース線63及びドレン線
64の設計位置を表す。そして、ゲート66とソース線
63及びドレン線64の相対位置は、図9(c)に示す
ようにY方向に多少ずれても素子の性能に対して影響が
少ないが、図9(d)に示すようにX方向にずれると、
ソース線63及びドレン線64とゲート66との重なり
が変化するため素子の性能に大きな影響を与えるものと
する。このような場合には、ゲート線のパターンを露光
するレチクルのアライメントはY方向に比べてX方向に
厳しいアライメント精度が要求される。したがって、前
述のように、レチクルに形成するV字型アライメントマ
ークの開き角θ1と基準部材21に形成するV字型基準
マーク36の開き角θ2として、例えばθ1=π/2,θ
2=2π/3のような組み合わせを選択することで、こ
の要求に応えることができる。
【0028】以上では、アライメントのための光源とし
て露光用照明光源10を用い、撮像手段を基板ステージ
側に配置する例によって説明してきた。しかし、光源は
アライメントのための専用の光源を用意してもよいし、
撮像手段の配置場所もステージ側とは限られない。例え
ば、図1において、基準部材21の下方に位置するよう
に基板ステージ16内に光源を配置し、あるいは外部の
光源からの光線を光ファイバ束によって基準部材21の
下方に導き、基準部材21の基準マークを下方から照明
し、投影光学系15によって基準マークの像をレチクル
12のアライメントマーク位置に形成してもよい。この
場合には、撮像手段をレチクル12の上方に配置し、そ
の撮像手段を用いて基準マーク像とアライメントマーク
との重なりを検出する。また、レチクルのアライメント
マークを基準マーク上に結像させて位置ずれを検出する
場合において、撮像手段をベース部に配置し、基準マー
クを透過した光を光ファイバ束によって撮像手段に入射
させるようにしてもよい。
【0029】次に、本発明による投影光学系の光学特性
の測定方法について説明する。図10は、この測定に使
用されるテストレチクルの一例を示す模式図である。こ
のテストレチクル70は、全面に所定の位置関係で複数
のV字型マーク71〜79を設けたものである。V字型
マーク71〜79は、クロム層に形成された開き角θ1
のV字型開口からなり、V字型マークの部分を光が透過
する光透過型マークである。
【0030】投影光学系によって基板ステージ側にテス
トレチクル70の像を形成し、各マーク像の位置を基板
ステージの基準部材に設けられたV字型マークを用いて
検出する。基準部材に設けられたV字型マークも、クロ
ム層に形成された開き角θ2のV字型開口であり、V字
型マークの部分を光が透過する。マーク71〜79の像
の位置検出は、基板ステージを移動して各マーク像の設
計位置に基準マークを順次移動し、V字と逆V字の関係
で重ね合わされた2つのマークによって形成される2つ
の光像を撮像することによって前述したのと同様の方法
で行われる。このようにして検出された各マーク像の2
次元位置データから、投影光学系のディストーション等
の光学特性を測定することができる。
【0031】このV字型マークを用いた測定によると、
1つの計測点でのX方向の位置データをY方向の位置デ
ータを1回の位置検出動作で行うことができるため、光
学特性の測定時間を大幅に短縮することができる。ま
た、V字型マークの開き角θ1,θ2の組み合わせを選択
することにより測定精度を向上することができる。
【0032】
【発明の効果】本発明によると、位置計測用のマークと
してV字型マークを用いることで1回の処理で2方向の
情報を得ることが可能となり計測時間を短縮することが
できる。また、V字型マークの開き角の組み合わせを変
えることによって倍率効果による位置計測誤差の圧縮が
可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による投影露光装置の一例の概略図。
【図2】レチクルの平面図、及びアライメントマークの
説明図。
【図3】基準マークの説明図。
【図4】撮像手段上に形成される光像の説明図。
【図5】レチクルがX方向に変位したとき、撮像手段上
に形成される光像の説明図。
【図6】レチクルがY方向に変位したとき、撮像手段上
に形成される光像の説明図。
【図7】画像処理手段による光像検出の説明図。
【図8】複数の基準マークを設けた基準部材の説明図。
【図9】重ね合わせパターンの露光についての説明図。
【図10】投影光学系の光学特性の測定に使用されるテ
ストレチクルの一例の模式図。
【符号の説明】
10…露光用照明光源、11…照明光学系、12…レチ
クル、13…パターン、14a,14b…アライメント
マーク領域、15…投影光学系、16…基板ステージ、
17…駆動手段、19…レーザ干渉計、21…基準部
材、22…リレーレンズ、23…撮像手段、24…画像
処理手段、25…信号処理手段、31a,31b…V字
型アライメントマーク、36…V字型基準マーク、40
…アライメントマークの投影像、41a,41b…光
像、53,54…モデル画像、61…信号線、62…ピ
クセル素子、63…ソース線、64…ドレン線、65…
ゲート、70…テストレチクル、71〜79…V字型マ
ーク

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 転写すべきパターンが形成されたレチク
    ルを照明する照明系と、 前記レチクルのパターン像を感光基板上に形成する投影
    光学系と、 基準マークを有する基準部材が設けられ、前記感光基板
    を載置して2次元方向に移動可能な基板ステージとを備
    える投影露光装置において、 前記基準部材に設けられた基準マークはV字型の光透過
    性マークであり、前記レチクルに設けられたV字型の光
    透過性アライメントマークと前記V字型基準マークの重
    ね合わせ像を撮像する撮像手段が設けられていることを
    特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項2】 前記レチクルに設けられたV字型アライ
    メントマークと前記基準マークとの相対位置ずれ量を検
    出する位置ずれ検出手段を備えることを特徴とする請求
    項1記載の投影露光装置。
  3. 【請求項3】 前記基準部材には、基準マークとして開
    き角の異なる複数のV字型マークが設けられていること
    を特徴とする請求項1又は2記載の投影露光装置。
  4. 【請求項4】 感光基板上に投影露光すべきパターンが
    形成されたレチクルを前記感光基板を載置して2次元方
    向に移動可能な基板ステージの移動座標系に対して位置
    合わせする位置合わせ方法において、 前記レチクルに設けられたV字型の光透過性マークと前
    記基板ステージ上に設けられたV字型の光透過性基準マ
    ークの重ね合わせ像を撮像し、両者の位置ずれ量を計測
    することを特徴とする位置合わせ方法。
  5. 【請求項5】 前記レチクルに設けられたV字型の光透
    過性マークの開き角は、高い位置合わせ精度が必要な方
    向に対して位置ずれ計測の感度が高くなるように設定さ
    れていることを特徴とする請求項4記載の位置合わせ方
    法。
  6. 【請求項6】 レチクルに形成された複数のV字型光透
    過性マークの像を投影光学系によって基板ステージ上に
    投影し、基板ステージ上の基準部材に設けられたV字型
    の光透過性マークとの重ね合わせ像を撮像して、設計位
    置との位置ずれを計測することを特徴とする前記投影光
    学系の光学特性測定方法。
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