JPH1022211A

JPH1022211A - 位置検出装置及びそれを用いたデバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH1022211A
Application number: JP8188629A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mishima; 和彦三島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】被検物体に設けた調整マークを対称な光強度
の照明光で照明し、該調整マークを高精度に検出して被
検物体の位置合わせを行った位置検出装置及びそれを用
いたデバイスの製造方法を得ること。【解決手段】被検物体上又は該被検物体を載置してい
る基板上に設けた調整マークを照明系からの光束で照明
し、該調整マークを検出系で所定面上に結像させること
によって該被検物体の所定方向の位置検出を行う際、該
照明系はその瞳面上において、位置検出方向では通過光
量の変化がなく、該瞳面の周辺部では通過光量を調整す
ることができるようにした光学部材を有していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は位置検出装置及びそ
れを用いたデバイスの製造方法に関するものであり、特
に半導体ＩＣ，ＬＳＩ，ＣＣＤ，液晶パネル，磁気ヘッ
ド等の各種のデバイスを製造する投影露光装置のように
マスクやウエハ等の物体の位置を該物体の像を観察して
高精度に検出し、該検出情報に基づいて物体の位置合わ
せを行う際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体技術の進展は近年ますます速度を
増しており、それに伴って微細加工技術の進展も著しい
ものがある。特にその中心をなす半導体素子製造用の投
影露光装置を用いた光加工技術は１ＭＤＲＡＭを境にサ
ブミクロンの領域に及んでいる。

【０００３】投影パターン像の解像力を向上させる手段
として投影露光装置に対して過去より行われてきた方法
としては、露光波長を固定して投影光学系のＮＡを大き
くしていく手法や、露光波長をｇ線からｉ線、さらには
エキシマレーザーの発振波長というように、より短波長
化していく手法等がある。又最近では位相シフトマスク
や変形照明等により、光露光による光加工の限界を広げ
る試みが行われている。

【０００４】一方、投影パターン像の解像力の向上に伴
って、投影露光装置におけるウエハとレチクルを相対位
置合わせするアライメントについても高精度化が必要と
されている。投影露光装置は高解像度の露光装置である
と同時に高精度な位置検出装置としての機能も要求され
ている。

【０００５】図３は従来の半導体素子製造用の投影露光
装置で用いられているアライメント用の位置検出光学系
の構成を示したものである。ウエハ４の表面内に図に示
したようにｘ，ｙ軸を取るが、露光装置の位置検出系は
ｘ及びｙ方向が同様なので、ここではｙ方向の計測につ
いて説明する。ここで位置検出光学系とは光源から検出
に到るまでの全ての光学系を総称した名称として用いて
いる。

【０００６】不図示のＨｅ−Ｎｅレーザー等の光源から
出射した光は、ファイバー１２を通して照明光学系１１
に導かれる。光は偏光ビームスプリッタ１０により紙面
に垂直なＳ偏光成分が反射され、λ／４板７を透過して
円偏光に変換される。その後、光は結像光学系６を介し
て開口絞り（対物絞り）１０１で制限されて結像光学系
５，ミラー３０，投影露光光学系１を介し、ｘｙｚ方向
に駆動可能なステージ２の上に置かれたウエハ４上に作
成されたマーク（アライメントマーク）３１をケーラー
照明する。

【０００７】ここで結像光学系５，６の間に配置した開
口絞り１０１は、照明系の瞳面と共役の位置（検出系像
面のフーリエ変換面）に、照明光束を制限すると共に検
出系の取り込みＮＡを決定している。

【０００８】マーク３１からの反射光、あるいは散乱光
は再び投影露光光学系１，ミラー３０，結像光学系５，
開口絞り１０１，結像光学系６を通過した後、λ／４板
７を経て今度は紙面内成分であるＰ偏光に変換される。
Ｐ偏光に変換された光は偏光ビームスプリッター１０を
透過し、結像レンズ８によってＣＣＤカメラ等の光電変
換素子９上に前記マーク３１の像を結像させる。該光電
変換素子９で検出された信号は画像処理されてマーク３
１の位置が高精度で検出され、該検出値からステージ２
を駆動してウエハ４の位置合わせを行っている。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】図３に示す半導体
素子製造用の投影露光装置に用いられている位置検出光
学系においては、いくつかの検出精度を低下させる要因
が存在している。

【００１０】第１に挙げられるのは検出用光束の波長に
伴う問題である。このような位置検出装置ではアライメ
ント用の光源として、検出時の露光を防ぐ為非露光光を
用いることが普通である。投影露光光学系１は露光波長
に対して最適化されている為、非露光光の波長では収差
を持っており、又製造誤差による影響もあって検出時に
計測誤差を発生させる要因となる。

【００１１】第２の要因はケーラー照明に関する問題で
ある。該ケーラー照明において照明をσ＝0 で使用する
のは、光量や結像時における空間周波数のカットオフの
問題がある為実用上困難で、一般には有限の大きさの発
光面を持った光源が用いられる。例えば実際にはレーザ
ー光源からの光をファイバーで照明系に導光したり、ラ
ンプそのものを光源として用いたりする。

【００１２】σがゼロでない為検出対象面のウエハ面で
は光軸に対してある角度を持った照明光が存在する。ケ
ーラー照明は検出面を一様に照明する手法であるが、検
出光学系の瞳面の分布である有効光源の一様性まで保証
するものではない。従って有効光源の光強度分布がマー
ク（アライメントマーク）の計測方向に対して対称でな
い場合、即ち検出面に対する照明光の入射角分布が非対
称な場合、観察されるマーク像の光強度分布が対称に照
明されたものと異なり、計測誤差を発生させるという問
題が生じてくる。

【００１３】図４（Ａ）は図３に示すｙ方向の位置検出
を行う為のｙ方向計測用のマーク３１の鳥瞰図、図４
（Ｂ）は該マーク３１をｘ方向から見た断面図、図４
（Ｃ）は光電変換素子９面上で観察される信号波形を示
す。

【００１４】有効光源の分布は光源の発光強度分布と等
価なので、検出面では該発光領域の強度に依存した入射
角度の強度分布を生じる。図４で３２ａをマーク３１に
対して垂直に入射する光、３２ｂと３２ｃをそれぞれ垂
直方向に対して角度が等しいが、方向の異なる方向から
の入射光とし、段差構造を持ったマーク３１を照明して
位置検出を行うケースを考える。

【００１５】図に示すように光束３２ｂの照明光強度
が、光束３２ｃの照明光強度より弱いとすると、マーク
３１を検出する場合、マークエッジ部の散乱光強度に差
が発生し正確な位置検出ができないという問題が発生す
る。

【００１６】簡単の為マークの断面形状を完全に対称で
あると仮定すれば、マークエッジからの散乱光の干渉条
件の差は考慮しなくてよいが、このように理想的な場合
でも、光束３２ｃの方が光束３２ｂよりも強度が強けれ
ばマークエッジ部での光の散乱の様子が異なる。この結
果、得られるマークの画像信号は図４（Ｃ）に見られる
ようにマーク中心３４に対して非対称となる。即ち、マ
ーク自体が対称であるにもかかわらず、照明条件が非対
称だと検出する画像信号の波形が歪んでしまい、正確な
マーク位置の検出が困難となる。勿論、光束３２ｂと光
束３２ｃの強度が等しければ対称性より、波形は完全に
対称な形となる。

【００１７】実際の信号の非対称性はマーク３１の段差
の構造の違いや、レジスト等の半導体素子製造工程の違
いによっても生じる。又、エッジの散乱特性は入射光の
強度に比例したり、反比例したりと千差万別な様相を示
して信号の非対称性の発生を複雑化させる。しかしなが
ら、装置自身としてはまず位置検出方向における照明光
の入射角強度の非対称性によるマークの計測誤差を取り
除くことが重要となってくる。

【００１８】従来より、このような現象を解決する方法
として瞳面や像面に拡散板や空間フィルター等のフィル
タを配置し、光強度及び角度分布の均一化を図ってい
た。ところがこのように拡散板を用いると光強度の均一
度に反比例して物体面での光量の減少を引き起こし、半
導体素子の製造工程によってアライメントマークの検出
が困難になる場合がある。

【００１９】或は、本出願人が先の特願平７−２９２２
２３号で提案している方法で、計測精度の向上を図るこ
とができる。しかしこの方法で調整シロが大きくなって
しまう場合、光軸傾きによるデフォーカス時の測定誤差
（以下「デフォーカス特性」と呼ぶ。）の影響が無視で
きなくなる。

【００２０】これは、ウエハ平面度が悪く（ウエハ内に
凹凸がある場合）、各々の位置検出マークを検出系に対
してベストフォーカス面に追い込めない場合、該位置検
出マークをデフォーカスした状態で検出しなければなら
ない。従って検出系のデフォーカス特性が悪い時、位置
検出マークがズレて検出されてしまい、測定誤差を発生
する。

【００２１】本発明はレチクルとウエハとの相対的な位
置合わせを行った後にレチクル面上のパターンをウエハ
上に投影露光する際に、被検物体として例えばウエハ面
又は該ウエハを載置する基板上に設けた調整マーク（ア
ライメントマーク）を適切に設定した照明系からの光束
で照明することによって所定面上に該調整マークの像を
良好に形成し、ウエハの位置検出を高精度に行い、高集
積度のデバイスが容易に製造することができる投影露光
装置に好適な位置検出装置及びそれを用いたデバイスの
製造方法の提供を目的とする。

【００２２】

【課題を解決する為の手段】本発明の位置検出装置は、 (1-1)被検物体上又は該被検物体を載置している基板上
に設けた調整マークを照明系からの光束で照明し、該調
整マークを検出系で所定面上に結像させることによって
該被検物体の所定方向の位置検出を行う際、該照明系は
その瞳面上において、位置検出方向では通過光量の変化
がなく、該瞳面の周辺部では通過光量を調整することが
できるようにした光学部材を有していることを特徴とし
ている。

【００２３】特に、 (1-1-1)前記光学部材は前記照明系の瞳面上において位
置検出方向の光束は遮光せず、該瞳面の周辺部の一部の
光束を遮光する開口絞りより成っていること。

【００２４】(1-1-2)前記光学部材は前記検出系で得ら
れる前記調整マークに関する検出信号に基づいて前記照
明系の瞳面上での光束通過状態を調整していること。

【００２５】(1-1-3)前記光学部材は四角形状の開口部
を有する開口絞りより成り、該四角形状の対角線方向が
位置検出方向に一致するように配置していること。

【００２６】(1-1-4)前記検出系で得られる前記調整マ
ークに基づく検出信号より前記光学部材による調整量を
演算処理部で算出し、前記照明系の光学特性を判別して
いること。

【００２７】(1-1-5)前記演算処理部からの算出信号に
基づいて駆動部で前記光学部材を位置検出方向に駆動さ
せていること。

【００２８】(1-1-6)前記調整マークが回転可能な機構
の上に搭載されていること。

【００２９】(1-1-7)前記照明系の調整状態の検定を前
記調整マークを互いに１８０°回転させた２つの状態で
観察し、該２つの状態の観察から計算される評価値を用
いて行うこと。

【００３０】(1-1-8)前記検出系で得られた検出信号か
ら求められる評価値が所定の基準値から外れていた場
合、前記光学部材を位置検出方向に移動させて前記照明
系の瞳面を通過する光量を調整していること。等を特徴
としている。

【００３１】本発明のデバイスの製造方法は、構成要件
(1-1)の位置検出装置を用いてレチクルとウエハとの位
置合わせを行った後に該レチクル面上のパターンをウエ
ハに投影露光し、その後該ウエハを現像処理してデバイ
スを製造していることを特徴としている。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の位置検出装置を半
導体素子製造用の投影露光装置に適用したときの実施形
態１の要部概略図である。図中、座標軸はウエハ４の表
面内に図に示したようにｘ，ｙ軸を取っている。同図に
示す投影露光装置の位置検出光学系はｘ及びｙ方向の計
測は同等なので、以下はｙ方向の計測（位置検出）につ
いて説明する。

【００３３】図１においてＥＬはステージ２上に設けた
調整マーク１４を照明する照明系を示し、ＤＬはステー
ジ２上の調整マーク１４の像を所定面上に形成して調整
マーク１４の位置を検出する検出系を示している。

【００３４】本実施形態において位置検出光学系は照明
系ＥＬ、検出系ＤＬ、そして投影露光光学系１等の各要
素より成っている。

【００３５】図１においてＨｅ−Ｎｅレーザーあるいは
その他の非露光光源で構成される光源１３から出射した
光（検出光）はファイバー１２を通して照明系レンズ１
５に入射している。照明系レンズ１５はファイバー１２
の射出面（瞳面）１２ｂを所定面に結像している。この
ときの所定面に照明系の開口絞り１６を配置している。
開口絞り１６は後述するウエハ４の位置検出方向（ｙ方
向）で光軸と直交する面内に移動可能となっており、こ
れによって照明系の瞳面を通過する光量を制御して照明
系の光学重心を調整して最適な照明系を構成している。

【００３６】開口絞り１６の開口を通過した光束は照明
光学系１１に入射する。照明光学系１１からの光は偏光
ビームスプリッタ１０により紙面に垂直なＳ偏光成分が
反射され、λ／４板７を透過して円偏光に変換される。

【００３７】その後、光は結像光学系６を介して開口絞
り（対物絞り）１０１で制限されて、結像光学系５，投
影露光光学系１を介してｘｙｚ方向に駆動可能なステー
ジ２の上又はステージ２上に置かれたウエハ４上に作成
された矩形段差構造を持つ調整マーク１４を照明する。

【００３８】調整マーク１４からの反射光、あるいは散
乱光は再び順に投影露光光学系１，結像光学系５，開口
絞り１０１，結像光学系６を通過した後、λ／４板７を
経て今度は紙面内成分であるＰ偏光に変換される。Ｐ偏
光に変換された光は偏光ビームスプリッタ１０を透過
し、結像レンズ８によってＣＣＤカメラ等の光電変換素
子９上に前記調整マーク１４の像を結像させる。該光電
変換素子９で検出された信号は画像処理されて調整マー
ク１４の位置が検出され、該検出値からステージ２を駆
動してウエハ４の位置合わせを行っている。

【００３９】本実施形態では開口絞り１６を位置検出方
向に駆動させて照明系ＥＬからの光束が調整マーク１４
に入射するときの角度分布を変えている。即ち、照明系
ＥＬの光学重心を変えている。このとき照明系の光学重
心を調整マーク１４からの信号を用いて変えている。

【００４０】調整マークは図９に示す構造を持ったメカ
ニズムの上に形成されている。即ち調整マーク１４は第
２基板２１の上に取り付けられている。第２基板２１は
ｚ軸方向の調整が可能となるようにピエゾ素子等の歪電
素子２２を介して第１基板２３の上に載置されており、
更に第１基板２３は回転軸２４によって保持されてい
る。

【００４１】このような構造を持っている為ピエゾ素子
２２の印加電圧を制御することで調整マーク１４のフォ
ーカスを調整でき、更に調整マーク１４を所定の角度回
転することが可能となっている。特に調整マーク１４を
１８０°回転させて観察し、回転前の観察と比較して調
整マーク１４構造自体の非対称性による影響を削除して
いる。又、調整マーク１４のように特別なマークを装置
に設けると、ウエハと関係なく簡易に計測でき、且つ安
定した調整基準を持つことが可能となる。これによって
純粋に照明系ＥＬが有するオフセットを観察している。

【００４２】ここでは特別にステージ２上に調整マーク
を設けたが、同じことは同様のマークを持つウエハある
いはそれに類するマークを持つウエハを用いて行うこと
も可能である。

【００４３】今、便宜上位置検出光学系の瞳面の光学重
心が計測方向（ｙ方向）を含む面内で光軸に関して対称
ではあるが、例えば検出光の波長に対して投影露光光学
系を含む位置検出光学系が全体として偏心コマ収差を持
つものと仮定する。

【００４４】図６はそのときの調整マーク１４への入射
光と反射光（散乱光）そして出力信号の模式図である。
図６（Ａ）は位置検出方向に断面の段差形状を持った調
整マーク１４と照明光４１、及び偏心コマを考慮した散
乱光４２ａ，４２ｂを示している。

【００４５】図６（Ｂ）は図６（Ａ）の状態での調整マ
ーク１４に基づく画像信号である。マークエッジ部から
の検出光はマーク中心に対して非対称な波形となってい
る。ここで一方のエッジの強度をａ、もう一方のエッジ
の強度をｂ、マーク全体の強度をｃとして、評価値Ｅ
を、Ｅ＝（ａ−ｂ）／ｃ ‥‥（１）とする。

【００４６】本実施形態では（１）式で定義した評価値
Ｅが所定値となるように開口絞り１６を用いて位置検出
光学系の調整状態、即ち光学重心の最適化を行ってい
る。

【００４７】図５は本実施形態において光学重心の最適
化を行うときのフローチャートである。調整は段差を持
つウエハを用いても行うことができるが、ここでは図１
に従って、調整マーク１４を用いた場合について説明す
る。

【００４８】まず調整マーク１４を回転がない初期状態
において図９に示すピエゾ素子２２を用いてフォーカス
位置に駆動して、該調整マーク１４の画像データの取り
込みを行う。この状態での計測を添字 nを付けて表す事
とし、図６（Ｂ）に示すように得られた画像データのエ
ッジ信号の高さをａ_n ,ｂ_n 、信号の全体強度をｃ_nと
し、（１）式より評価値Ｅ_n を求める。

【００４９】次に調整マーク１４を回転軸２４により１
８０°回転して、再びピエゾ素子２２によりフォーカス
駆動を行って画像データを取り込む。この状態での計測
を添字 rを付けて表す事とし、得られた画像データのエ
ッジ信号の高さをａ_r ,ｂ_r、信号の全体強度をｃ_r と
し、（１）式より評価値Ｅ_n を求める。その後、２つの
評価値を平均化してＥ₀ ＝（Ｅ_n ＋Ｅ_r ）／2 ‥‥（２）を最終評価値とする。

【００５０】評価値Ｅ₀ が所定の判断基準Ｅ_thよりも小
さければ、位置検出光学系の調整が十分になされている
ことになり通常のアライメント・ルーチンを続けること
ができる。なお、判断基準Ｅ_thは位置検出装置ごとに、
発生する工程間オフセットが許容範囲となるような判断
基準値として予め設定されている。評価値Ｅ₀ が判断基
準Ｅ_thよりも大きい場合は評価値Ｅ₀ に関する情報を
ＣＲＴ等の表示手段に表示する。この場合は位置検出光
学系の調整が不十分である為評価値Ｅ₀ の値が判断基準
Ｅ_th以下になるまで開口絞り１６の位置を調整して光学
重心の最適化を繰り返し行っている。

【００５１】以上述べたように調整マーク１４を回転し
ないときの画像データと、１８０°回転したときの画像
データを用いることで、使用する調整マーク１４が保有
する非対称性によるオフセットの影響を除去している。
従って調整マーク１４の段差構造がマーク中心３４（図
４（Ｃ））に対して完全に対称なことが予め分かってい
る場合は調整マーク１４を１８０°回転して計測すると
いう操作を割愛することができる。又１８０°の回転に
より発生するオフセット量が予め分かっている場合も、
回転操作を割愛し、代わりに該オフセット量を評価値Ｅ
_n に反映させて最終評価値Ｅ₀ を求めても良い。

【００５２】これまでの説明は一方向の調整、即ち図１
のｙ方向の計測の調整について述べてきたが、最終的な
位置合わせは二次元的にせねばならない。その場合、前
記方向と直交する方向、即ち図１のｘ方向についての調
整も同様に行うことができる。即ちｘ方向については調
整マーク１４を９０°，２７０°と回転させ、ｙ方向と
同様に互いに１８０°異なる２つの状態にして計測を行
って、１つの調整マーク１４でｘ，ｙ両方向を賄ってい
る。１つの調整マークを用いると省スペースとなると同
時に、調整マーク自体が２つの方向で共通となる為、オ
フセットの管理上からも実用的に価値が大きい。

【００５３】次に本実施形態に係る開口絞り１６の構成
及びその光学的作用について説明する。

【００５４】図７は位置検出光学系における瞳面形状の
説明図である。図７（Ｂ）の実線で示されている円１０
２は位置検出光学系の開口絞り（図１の対物絞り１０１
に相当）を表わし、円１０３は照明系の開口絞り（図１
の開口絞り１６に相当）を表わしている。この中で瞳の
計測方向の直径上では照明系からの光束の一部が対物絞
り１０２に蹴られ、斜線部は光束が来ない部分を示して
いる。これによって瞳の偏心を行っている。

【００５５】図１０（Ａ），（Ｂ）に図７（Ｂ）の円形
状絞りを用いて測定した時（検出系に収差が存在してい
る場合）の瞳の偏心に対する評価値Ｅの変化及びデフォ
ーカス特性の変化をそれぞれ示す。図１０（Ａ）はσ＝
１の時のデータを示しており、図１０（Ｂ）には、この
時のデフォーカス特性を１μｍデフォーカスに対する計
測誤差量として表わしている。

【００５６】一方、図７（Ａ）に示す様に開口絞りを四
角形状にした四角形状絞り１０４を用い更に計測方向に
その対角が一致する様に配置し、瞳を偏心させた時の評
価値Ｅ、及びデフォーカス特性の変化を図１１（Ａ），
（Ｂ）に示す。

【００５７】図７（Ｂ）に示す円形絞りと図７（Ａ）に
示す四角形状絞りを用いた時の特性を示す図１０，図１
１を比較すると図１１の四角形状絞りを用いた場合の方
が、円形絞りを用いた場合よりデフォーカス特性の変化
が小さい。

【００５８】そこで本実施形態では円形絞りの代わり
に、四角形状絞りを用いる事によって検出系の調整を容
易とし、かつデフォーカス特性の劣化を抑えて調整を可
能としている。

【００５９】図１の実施形態１ではファイバー１２の射
出面１２ｂを照明系レンズ１５で結像させ、そのときの
結像面に開口絞り１６を配置して瞳面を形成したが、瞳
面の形成方法はこれに限定されるものではない。

【００６０】例えばファイバー１２の出射面１２ｂを瞳
面とする場合、ファイバー１２の出射面１２ｂを上述の
四角形状にしても良い。従って、検出系の像面のフーリ
エ変換面、つまり瞳面の瞳形状を上述の形状にするもの
であればどのようなものでも良い。

【００６１】又、上述では、瞳を四角形状としたが形状
に関してはこれに限定されるものではなく、照明光の瞳
面の計測方向に垂直方向でＮＡの高い領域の光量分布を
効率的に変化させる形状であれば良い。従って、照明系
の瞳面に液晶等の空間フィルタを配置し、ＮＡの高い領
域の遮光状態を変えて光量分布を変化させ、波形調整す
るようにしても良い。

【００６２】次に本実施形態において四角形状絞りを用
いたときの効果について説明する。図１２（Ａ）はσ＝
１の時の円形絞り１０９、図１２（Ｂ）は対物絞り１０
２に内接する四角形状絞り１１０、図１２（Ｃ）は対物
絞り１０２に内接も外接もしない中間の四角形状絞り１
１１をそれぞれ偏心させた時の概略図を表している。こ
の中で一点破線で示されたのは、位置検出方向（ｙ方
向）と直交方向の光学重心の分布を表している。この光
学重心部分の移動がマーク検出波形、及びデフォーカス
特性に影響している。

【００６３】一方図１３には、それぞれの絞りについ
て、瞳偏心させた時の光学重心分布の変化を表してい
る。光学重心分布１１３に比べ光学重心分布１１４で示
されている方が瞳偏心が大きい場合である。又、このグ
ラフは光軸に対称の為、光軸から上半分の光学重心分布
だけを表している。

【００６４】円形絞りの場合（図１３（Ａ））、瞳偏心
に対する光学重心分布の変化は、すべての高さで一様に
シフトしていく事がわかる。それに対して、四角形状絞
りを用いた場合（図１３（Ｂ），（Ｃ））、光軸近辺の
光学重心移動に比べ、ＮＡの高い所（瞳の周辺部）の移
動の方が大きくなっている。検出マーク波形の非対称性
は検出系の偏心コマ収差等の影響による。この様な収差
は、瞳の周辺部（ＮＡの高い所）の光束で効き量が大き
くなる。

【００６５】更に上述してきた位置検出光学系におい
て、照明光の瞳面の光学重心を検出系の瞳に対して偏心
させると、検出マークからの光情報（反射光、散乱光
等）もそれに追随して変化する。つまり、検出マークの
非対称性は、照明光の瞳面に於ける周辺部の光量分布
（光学重心）の調整で敏感に波形調整できる。それに対
しデフォーカス特性は主として光軸近辺の光学重心の分
布に大きく影響されている。従って、円形絞り１０９に
対して、四角形状絞り１１０，１１１の方が瞳偏心によ
る光軸近辺の光学重心変化が小さいので、デフォーカス
特性の劣化を抑えて波形調整が可能となる。

【００６６】以上の事から、先の実験結果も説明するこ
とができる。又このグラフから類推できるように、対物
絞りに内接する四角形状絞りより、内接と外接の中間と
なる四角形状絞り１１１を用いた方が、よりデフォーカ
ス特性の劣化を抑えて検出系の調整が可能となる。

【００６７】尚、対物絞りに外接する四角形状絞りにつ
いて、本実施形態での解説は割愛するが、この場合、瞳
偏心に対して光軸近辺の光学重心移動量は小さいが、周
辺部の移動量も小さい。その為、瞳偏心量に対する波形
変動も小さいので効率が悪く、又検出系の解像力の低下
も招く為あまり好ましくない。

【００６８】尚本実施形態中では、検出系の開口絞りを
「対物絞り」と表記したが、これに限定されるものでは
なく、検出系の瞳面となりＮＡを決定するものであれば
どのようなものであっても良い。図２は本発明の位置検
出装置を半導体素子製造用の投影露光装置に適用したと
きの実施形態２の要部概略図である。本実施形態は図１
の実施形態１に比べて光学重心の最適化を自動的に行う
補正システムを備えたことが特徴となっている。図２に
おいても図１で説明したものと同一の部材については同
一の符号が付されている。本実施形態の最も特徴となっ
ている部分は位置検出光学系の照明系ＥＬの構成であ
り、その他は図１と同じなのでここでは照明系ＥＬに着
目して説明を行う。

【００６９】ファイバー１２から出射した光は照明系レ
ンズ１５を通過した後、ファイバー１２の射出面（瞳
面）の像を照明系１１内で少なくとも１度結像する。該
結像位置には検出系のσが１以下となる開口絞り１６、
又はそれと同等な空間フィルタが配置される。照明系レ
ンズ１５はファイバー１２の射出面１２ｂを開口絞り１
６の位置に開口部の大きさより十分大きい大きさで結像
させる為、開口絞り１６の位置を照明系の光軸に対して
直交する方向に動かすことで光学重心を調整して、最適
な照明系を達成している。

【００７０】開口絞り１６の駆動は実施形態１で説明し
た評価値Ｅ₀ をもとに演算処理部１７で開口絞り１６の
最適移動量を算出して行われる。該算出値に従い基板５
４上に設けたピエゾ素子等の駆動部５３を使って開口絞
り１６を駆動し、自動で且つ容易に高精度な位置検出光
学系の調整を達成している。

【００７１】このような自動補正シーケンスは装置の定
期メンテナンス時や、装置に不具合が発生した時に行う
とよい。評価値Ｅ₀ の計測値が判断基準Ｅ_thより大きけ
れば、自動補正のクローズト・ループ・シーケンスに入
り、小さければ前述のとうり通常のアライメント・ルー
チンに入る。

【００７２】図８は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。これまでの実施形態では位置検出光学系として、
投影露光光学系を介して位置検出する所謂ＴＴＬオフア
クシス系を用いていた。

【００７３】これに対して本実施形態では図８に示すよ
うに投影露光光学系を介さない単純なオフアクシスの位
置検出光学系を利用している。図中これまでの説明図で
用いたものと同じ構成要素については同じ符号を付して
ある。光源１３から出射した光は位置検出光学系５０に
導光され、ウエハ又は調整マーク１４を照明する。

【００７４】調整マーク１４はステージ２上に載せられ
ており、図９に示す構造を持っていることは他の実施形
態と同様である。調整マーク１４からの反射光はＣＣＤ
カメラ等の光電変換素子９上に結像されて、電気信号に
変換される。該電気信号から得られた情報より演算処理
部１７が評価値Ｅ₀ の値を計算し、判断基準Ｅ_thと比較
する。照明系の光学重心の位置を調整するか否かを決定
する以降の手順は先の２つの実施形態と同一である。

【００７５】尚レチクル５１を通してウエハ４上のマー
クを観察する所謂ＴＴＬオフアクシス位置検出系につい
ても、実施形態１〜３と同様の機能及び手段を持つこと
で、位置検出光学系の調整状態をチェックし、位置検出
精度の向上を図ることができる。

【００７６】以上の各実施形態では一次元方向の位置検
出について解説してきたが、二次元方向の検出にも同様
に適用することができる。図１４には、二次元方向の検
出系の瞳面を表わしている。上述と同様に斜線部は光束
がない部分を示し、計測方向（ｘ及びｙ方向）の直径近
傍に対しては、検出系の開口絞りで照明系からの光束が
蹴られるようになっている。

【００７７】このように四角形状絞りを計測方向以外
に、かつ光軸を含む計測方向の直径で照明系からの光束
が検出系の開口絞りに蹴られる（計測方向の直径近傍で
光量変化がない）様、調整することで上述した効果が同
様に得られる。

【００７８】次に上記説明した投影露光装置を利用した
半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。

【００７９】図１５は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或は液晶パネルやＣＣＤ等）の製造の
フローチャートである。

【００８０】本実施例においてステップ１（回路設計）
では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２
（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマ
スクを製作する。

【００８１】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【００８２】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。

【００８３】ステップ６（検査）ではステップ５で作製
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００８４】図１６は上記ステップ４のウエハプロセス
の詳細なフローチャートである。まずステップ１１（酸
化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（Ｃ
ＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。

【００８５】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付露光する。

【００８６】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことに
よってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【００８７】尚本実施例の製造方法を用いれば高集積度
の半導体デバイスを容易に製造することができる。

【００８８】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、レチクル
とウエハとの相対的な位置合わせを行った後にレチクル
面上のパターンをウエハ上に投影露光する際に、被検物
体として例えばウエハ面又は該ウエハを載置する基板上
に設けた調整マーク（アライメントマーク）を適切に設
定した照明系からの光束で照明することによって所定面
上に該調整マークの像を良好に形成し、ウエハの位置検
出を高精度に行い、高集積度のデバイスが容易に製造す
ることができる投影露光装置に好適な位置検出装置及び
それを用いたデバイスの製造方法を達成することができ
る。

【００８９】特に本発明によれば位置検出光学系を光学
重心が調整可能となるように構成し、ある特定の画像信
号を観察して照明条件を最適化することで調整マークの
位置検出精度を向上させている。

【００９０】又、照明光の不均一性、位置検出光学系や
投影露光光学系の保有する収差による位置検出精度の劣
化を補正することができる。更に所定形状の開口絞りを
用いることによって検出系の光軸傾きによるデフォーカ
ス時の計測誤差の発生を抑える事ができ、工程間のオフ
セットの少ない位置検出光学系が構成でき、位置検出精
度の向上を容易に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の位置検出装置の構成図

【図２】本発明の実施形態２の位置検出装置の構成図

【図３】従来の位置検出装置の構成図

【図４】アライメントマークと照明光と信号の関係を示
す図

【図５】本発明に係る光学重心の最適化のフローチャー
ト

【図６】理想照明光と検出系に収差のある場合のマーク
断面及びマークエッジ検出信号の説明図

【図７】図１の照明系の瞳面上の説明図

【図８】本発明の実施形態３の位置検出装置の構成図、

【図９】図１の一部分の拡大説明図

【図１０】円形状開口絞りの偏心に対する評価値とデフ
ォーカス特性の変化の説明図

【図１１】四角形状開口絞りの偏心に対する評価値とデ
フォーカス特性の変化の説明図

【図１２】本発明に適用可能な開口絞りの説明図

【図１３】瞳偏心に対する光学重心の変化の説明図

【図１４】本発明に係る２次元位置検出系の瞳位置の説
明図

【図１５】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図１６】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【符号の説明】

１投影露光光学系２ｘｙｚステージ、３ウエハチヤック材４ウエハ５，６検出光学系７ λ／４板８結像光学系９光電変換素子１０偏光ビームスプリッタ１１照明光学系１２ファイバー１３光源１４調整マーク１５照明系レンズ１６，１０１開口絞り１７演算処理部２１第一基板２２歪電素子２３第２基板２４回転軸３０ミラー３１アライメントマーク３２照明光３４マーク中心４１照明光４２エッジ散乱光５０位置検出光学系５１レチクル５２露光照明系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｌ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物体上又は該被検物体を載置してい
る基板上に設けた調整マークを照明系からの光束で照明
し、該調整マークを検出系で所定面上に結像させること
によって該被検物体の所定方向の位置検出を行う際、該
照明系はその瞳面上において、位置検出方向では通過光
量の変化がなく、該瞳面の周辺部では通過光量を調整す
ることができるようにした光学部材を有していることを
特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記光学部材は前記照明系の瞳面上にお
いて位置検出方向の光束は遮光せず、該瞳面の周辺部の
一部の光束を遮光する開口絞りより成っていることを特
徴とする請求項１の位置検出装置。
【請求項３】前記光学部材は前記検出系で得られる前
記調整マークに関する検出信号に基づいて前記照明系の
瞳面上での光束通過状態を調整していることを特徴とす
る請求項１又は２の位置検出装置。
【請求項４】前記光学部材は四角形状の開口部を有す
る開口絞りより成り、該四角形状の対角線方向が位置検
出方向に一致するように配置していることを特徴とする
請求項１，２又は３の位置検出装置。
【請求項５】前記検出系で得られる前記調整マークに
基づく検出信号より前記光学部材による調整量を演算処
理部で算出し、前記照明系の光学特性を判別しているこ
とを特徴とする請求項２，３又は４の位置検出装置。
【請求項６】前記演算処理部からの算出信号に基づい
て駆動部で前記光学部材を位置検出方向に駆動させてい
ることを特徴とする請求項５の位置検出装置。
【請求項７】前記調整マークが回転可能な機構の上に
搭載されていることを特徴とする請求項１の位置検出装
置。
【請求項８】前記照明系の調整状態の検定を前記調整
マークを互いに１８０°回転させた２つの状態で観察
し、該２つの状態の観察から計算される評価値を用いて
行うことを特徴とする請求項７の位置検出装置。
【請求項９】前記検出系で得られた検出信号から求め
られる評価値が所定の基準値から外れていた場合、前記
光学部材を位置検出方向に移動させて前記照明系の瞳面
を通過する光量を調整していることを特徴とする請求項
１の位置検出装置。
【請求項１０】請求項１〜９の何れか１項記載の位置
検出装置を用いてレチクルとウエハとの位置合わせを行
った後に該レチクル面上のパターンをウエハに投影露光
し、その後該ウエハを現像処理してデバイスを製造して
いることを特徴とするデバイスの製造方法。