JPS6313330A - 位置合せ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、第１の物体を第２の物体上に結像光学系を介
して投影転写する装置に適用して第１および第２の２つ
の物体を位置合せする装置に関する。具体例としては、
フォトレジスト等の薄膜の塗布されたウェハとレチクル
を位置合せして露光するステッパの位置合せ装置に関す
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りソグラフィすな
わち微細線幅焼付技術の進歩とエツ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。それはウェハプロセ
スの多様性を物語っているが、その一方で、重ね合せの
ためのアライメントシステムの構成が多種多用であるこ
とに起因しているともいえる。ウェ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つクエへ基板だけ
に留まらず、ウニハエに塗布されているフォトレジスト
湿食めて論す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。その中でウニ八表面の高段差
化は避けられないものであるが、この高段差がフォトレ
ジストの塗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。大口径のクエへにフォトレジス
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
がウニ八表面の段差が大きいほど顕著にあられれること
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ェ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
ウェハ双方にテレセントリックな光学系を用いてＴＴＬ
ｃｎＡｘｉｓ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、同様の性能ヲ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ＴＴＬ　　ｏｎ　　Ａ
ｘｉｓ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　　Ａｘｉ
ｓ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−Ｎ　ｅレーザ（６３３ｎ
ｍ）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クエへを移動させ
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ＴＴ
Ｌ　　ｏｆｆＡｘｉｓ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に起因するものが大部分であること
が判明した。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、ウニ
八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ェハ内で均一に塗布
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。ウニ八基板自体もエツチング、ス
パッタ等のウェハ内均−性の問題を抱えている。そのた
め、ウェハ内の各ショットのアライメントマークの構造
はレジストの塗布湿食めて考えた時、場所場所で異り、
従って、干渉効果も異っている。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
ためにウニ八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、またウェ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
。

レジストの要因としてはその他に屈折による像ズレ等の
要因が考えられるが、それ等はあくまで二次的なもので
あり、今ここで挙げた２つの要因特に第１の干渉効果を
除くことがアライメントの精度向上に大きく貢猷するこ
とが解析の結果確かめられた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明では従って、干渉効果を軽減し、より高いアライ
メント検出精度を実現するシステムを構成するための位
置検出装置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
達成するため本発明では、第１の物体に形成されたパタ
ーン像を結像光学系を介して第２の物体上に投影転写す
る装置に適用して第１の物体と第２の物体とを位置合せ
する装置において、第１の物体の位置を検知する第１の
検知系と、上記結像光学系と第２の物体との間から該第
２の物体の位置を検知する第２の検知系とを具備したこ
とを特徴としている。

したがって、第２の検知系の配置の自由度が高く、例え
ば、これをウニ凸面からの表面反射光や多重反射光の角
度より外側の回折光を受光するように配置すれば、ウニ
凸面に塗布したレジスト等の影響を受けない高精度の位
置合せを実現することができる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。第１図は
本発明の一実施例に係る位置検出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をウェハ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ニへの凹凸や、
通常、レンズ３とウェハ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
ないようにウェ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図ではウェハ上の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
ウェハ信号検知系にある。第１図でこれから焼き付けら
れるべきウェハの部分５のためのアライメントマーク６
は、このマーク６に対し、所定の方向および角度で配置
されたウェハ信号検知系によって検知される。

これが本発明の最も主要な部分をなすものである。

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ニ八基板の反射
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ェ
ハ信号検出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クエへでも、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
、それ以上急峻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塗布するのが普通であり
、その結果はぼ５゜前後の値に納まるのである。

このため、本発明ではウェハ検出系に対して第２図に示
すように次のような条件を付は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りを５°、照明光１
７の光束法がり角を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。２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、無視しつる。し
たがって、アライメントマーク６のエツジ回折光２０を
検知する角度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
び多重反射光はウェハ信号検知系に入らない。したがっ
て、アライメントマークからの反射光のみ検出すること
ができるのである。

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チクル表面反射および多重反射
の除去に成功したものである。アライメントマークその
ものからの回折光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、以上はウェハ信号検知系であったがレチクル信号
検知系は第１図に示す如く光源９のビームを回転多面鏡
８により走査することによりレチクル１上のレチクルマ
ーク１５を走査し、マークよりの反射光を検知素子１０
により受光する。レチクル１を透過したビームが投影系
を介して前述のウェハマーク６を照明することとなる。

これらに関しては本出願人による昭和６１年６月１２日
付は特許出願（発明の名称「観察装置」）を参照された
い。

第１図の装置において生成される位置合せ信号を第３図
に示す。３−　（ａ）図はレチクルマーク１５およびウ
ェハマーク６をビーム走査する概念図である。その結果
前述のレチクル信号検知系より３−（ｂ）図に示す信号
が発生し、ウェハ信号検知系には３−　（ｃ）図の信号
が発生する。これらを３−（ｄ）図に示す如く重ね合せ
て公知の手段により位置合せ信号を得る。

以上のようにレチクルの直接反射信号と投影系を介さず
に受光したウェハ信号を合成して位置合せ信号を得るこ
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を用いてウェハ上に投影される走査ビ
ーム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、たとえば水銀燈スペクトル線でもよい。

第４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、ウェハのプロセス条件によらず常に良好な信号を得
ることが可能となる。

第５図は、オプチカルファイバ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。

第６および７図は、それぞれウェハ上の検出位置を自由
に変更可能としたものである。

第１図においてウェハ４に露光されるパターン５の形状
は一般的に一定ではなく各種の寸法形状である。そのた
めアライメントマーク６を入れられる位置は変更される
。そのため検出位置を変更可能とする必要性がある。も
ちろん、第１図においてウェハ信号検知系が機械的に８
勤可能であればよいのは当然であるが、そうでない場合
は、第６または第７図の構成により、検出位置を変更可
能とすることができる。

第６図においてマーク位置が６ａ、６ｂ、６ｃの各位置
をとるとすると、信号検知系は、それぞれの位置で（１
）式を満足する位置に配置され不図示の制御系により使
用する検知系を選択される。

第７図において、１８はイメージガイドであり、その端
面において間口２０をもつシャッタ１９により使用箇所
が不図示の制御系により選択され集光レンズ２１により
受光器１４に導かれる。もちろんシャッタ１９は機械的
に穆勤するだけでなく液晶のような電気−光学効果を利
用することも可能である。

なお、第１図においてウェハ信号検知系は１対で図示し
であるが、マークと回折光のとび方向との関係で必要あ
れば第８図に示すように２対以上とすることも可能であ
る。さらにウェハ信号検知系のウニ八水平面の配置方向
はアライメントマークエツジに直交する方向である。

各側を通して光受光器１４は高感度のものが望ましい。

なぜならマークエツジでの回折光のうち表面反射、多重
反射角度より外側の回折光を取り出すことは結果として
相対的に出力が小さくなる。

この点からフォトマル等の高感度のものが望ましい。

以上はいずれもビーム走査により信号検出する例につい
て述べてきたが、次にビーム走査しない例を述べる。

この場合は、第１図において、回転多面鏡が固定ミラー
となり、その代わりウェハを保持する不図示のウェハス
テージが走査される。ウェハステージにはレーザ干渉計
が配置されており、ステージ位置とアライメントマーク
位置の関係が測定される。レチクルは第１図の２２で示
すレチクル合せ光学系（ウェハ信号検知系とは相対的な
位置が関係づけられている）と不図示のレチクル穆動機
構により間接的にウェハ信号検知光学系に関係づけて位
置合せされる。すなわちウェハは干渉計によりウェハ信
号検知系に位置合せされ、レチクルはレチクル合せ光学
系により間接的にウェハ信号検知系に位置合せされるこ
とになる。こうすると高精度のビーム走査系が不要とな
りシンプルで低コスト化が図れる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、位置合せ信号をレ
チクル信号と、ウェハ信号を分離して検出し合成して位
置合せ信号を得る、さらに言えばウェハ信号検知系は投
影レンズとウニへ間に配置され、ウニ凸面からの表面反
射、多重反射角度より外側の回折光を受光するよう配置
されていることにより高精度の位置合せを行なうことが
可能となった。

【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、ウェハへの照明光によるウニ八表面での反射
の様子を示す説明図、 第３図は、第１図の装置における各部信号波形図、 第４〜８図は、本発明の他の実施例を説明する図である
。 １ニレチクル ３：投影レンズ ４：ウェハ ６：ウニ凸段差部 ８：ポリゴンミラー ９：光源 １０ニレチクル信号検知素子 １４、１４’　　：ウエハ信号検知素子特許出願人　　
　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也 第２図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の物体に形成されたパターン像を結像光学系を
   介して第２の物体上に投影転写する装置における第１の
   物体と第２の物体とを位置合せする装置であって、 第１および第２の物体を照明する照明系、 第１の物体からの光を上記結像光学系を介さずに検出す
   る第１の受光手段、 上記結像光学系と第２の物体との間より、上記結像光学
   系を介さずに第２の物体からの光を検出する第２の受光
   手段、および第１および第２の両受光手段における光信
   号に基づき第１の物体と第２の物体との相対位置を検知
   する手段を具備することを特徴とする位置合せ装置。 ２、前記照明系が、前記第１の物体上を光走査すると同
   時に前記結像光学系を介して第２の物体上をも光走査す
   るものである特許請求の範囲第１項記載の位置合せ装置
   。 ３、前記検知手段が、前記第１および第２の受光手段か
   らの光信号の合成信号に基づき前記第１および第２の物
   体の相対位置を検知するものである特許請求の範囲第１
   項記載の位置合せ装置。 ４、前記結像光学系を介して前記第２の物体上を照明す
   る光の光束拡がり角をＡ、前記第２の受光手段の光軸が
   上記結像光学系の光軸となす角度をＥ、上記第２の物体
   表面に入射し反射した光がこの第２の物体に塗布された
   感光剤表面で反射されさらにこの第２の物体表面で再度
   反射された際の上記結像光学系の光軸に対する出射角を
   Ｃとしたとき、上記第２の受光手段が、Ｅ≧Ａ＋Ｃなる
   位置に配置されている特許請求の範囲第１項記載の位置
   合せ装置。