JP2546350B2 - 位置合わせ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置合わせ装置に関し、例えば半導体素子製
造用の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マ
スク」という。）等の第１物体面上に形成されている微
細な電子回路パターンをウエハ等の第２物体面上に露光
転写する際にマスクとウエハとの相対的な位置決め（ア
ライメント）を行う場合に好適な位置合わせ装置に関す
るものである。

（従来の技術） 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスク
とウエハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重
要な一要素となっている。特に最近の露光装置における
位置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、
例えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するもの
が要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウエハ
面上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設
け、それらより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4326805号で提案されているようにアライメントパタ
ーンとしてゾーンプレートを用い該ゾーンプレートに光
束を照射し、このときゾーンプレートから射出した光束
の所定面上における集光点位置を検出すること等により
行っている。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法
は、単なるアライメントパターンを用いた方法に比べて
アライメントパターンの欠損に影響されずに比較的高精
度のアライメントが出来る特長がある。

第10図（Ａ），（Ｂ）はゾーンプレートを利用した従
来の位置合わせ装置の概略図である。

同図において光源100から射出した光束は光学系102、
ハーフミラー108を通過後、レンズ110で平行光にされた
後、マスク10面上のマスクアライメントパターン12,20
及び支持台84に載置したウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン61を照射する。これらのアライメントパタ
ーン12,20,61は反射型のゾーンプレートより構成され、
各々平面92上に集光点を形成する。このときの平面92上
の集光点位置のずれ量をレンズ110とレンズ116により検
出している。

そして検出に基づいてウエハ支持台84を駆動させてマ
スク10とウエハ60の相対的な位置決めを行っている。

第10図（Ｂ）は第10図（Ａ）に示したマスクアライメ
ントパターン12,20とウエハアライメントパターン61か
らの光束の結像関係を示した説明図である。

同図において入射光束88,90はマスクアライメントパ
ターン12,20より回折し、平面92近傍にマスク位置を示
す集光点を形成する。又、その他の一部の光束はマスク
10を０次透過光として透過し、波面を変えずにウエハ60
面上のウエハアライメントパターン61,62に入射する。
このとき光束はウエハアライメントパターン61,62によ
り回折された後、再びマスク10を０次透過光として透過
し、平面92近傍に集光しウエハ位置をあらわす集光点を
形成する。同図においてはウエハ60により回折された光
束が集光点を形成する際には、マスク10は単なる素通し
状態としての作用をする。

このようにして形成されたウエハアライメントパター
ン61,62による集光点の位置は、ウエハ60のマスク60に
対するずれ量に応じて平面92に沿って形成される。

従来はこのときのずれ量を検出しマスク10とウエハ60
との位置合わせを行っていた。

（発明が解決しようとする問題点） 第10図（Ａ），（Ｂ）に示す位置合わせ装置において
はマスクとウエハの間隔ｇについて或る量の不確定量が
伴い、それにより例えば次のような問題点があった。第
11図についてこの状況を説明する。

設計によりマスクとウエハの合致状態を集光点78a,78
bのどちらの位置で検出することも可能であるが、ずれ
量Δσ′がずれ量Δσと間隔ｇの両方の量に依存する量
であるため、１つのずれ量Δσ′に対して幾組ものずれ
量Δσと間隔ｇの組が対応してくる。この為、仮に集光
点78aの位置で合致状態を検出しようとする場合、非合
焦時、例えば集光点78bの位置に光束が集光していたと
するとずれ量Δσ′の値を正確に測定したとしても、ず
れ量Δσが正確に決まらない。この為、１回の位置合わ
せ動作ですむところ、２回、３回と行う必要が起りスル
ープットが低下してくる。

又、集光点78bの位置で合致状態を検出しようとした
場合、間隔ｇの値が粗い値であると、ずれ量Δσ′の値
を正確に測定しても、ずれ量Δσの値が必ずしも零にな
らず合致状態を誤認してしまう。

この他、第11図においてマスクとウエハの間隔測定に
値Δｇの誤差があったとすると、ずれ量Δσ′にもΔｇ
の誤差が発生してくる。ずれ量Δσ′とずれ量Δσは１
対１に対応しているので、ずれ量Δσにも値Δｇの誤差
が発生してくる。

例えば0.01μｍの精度で位置合わせを行うには少なく
とも〜0.01μｍオーダーの精度で間隔を設定する必要が
あるが、従来の方法では難しく、又高精度化を図ろうと
すると装置全体が複雑化してくるという問題点があっ
た。

本発明はマスク等の第１物体とウエハ等の第２物体と
の位置合わせの際に発生する誤差要因を解決し、高精度
にしかも容易に位置合わせを行なうことのできる簡易な
構成の位置合わせ装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は第１物体と第２物体の位置ずれ量を求めると
共に、間隔も求め、位置ずれが所定量あると判断したと
きは所定の間隔になるまで第１物体又は第２物体を移動
させた後、更に位置ずれ量を求め、若しくは得られた間
隔の値から位置ずれ量を補正する等して第１物体と第２
物体の位置ずれ量を高精度に求めるようにしたことを特
徴としている。

特に本発明では、第１物体面上と第２物体面上に各々
物理光学素子を設け、これらの物理光学素子に入射させ
た光束の所定面上に生ずる所定次数の回折光束を検出す
ることにより該第１物体と第２物体との相対的な位置合
わせを行う際、該第１物体と第２物体の相対的なずれ量
Δと該第１物体と第２物体との間隔ｇに依存する２つの
量とずれ量Δ、間隔ｇの双方に依存しない量との組合わ
せから、又はずれ量Δと間隔ｇに依存する量、間隔ｇに
のみ依存する量そしてずれ量Δと間隔ｇのどちらにも依
存しない量との組合わせからずれ量Δと間隔ｇを求め、
このときの該ずれ量Δと間隔ｇを利用して、該第１物体
と第２物体との位置合わせを行ったことを特徴としてい
る。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は
第１図の各光束の光路を模式的に展開したときの要部概
略図である。

第1,第２図においてl1は不図示の半導体レーザ又はLE
D等からの光束であり、マスク等の第１物体１面上の後
述する物理光学素子z1,z2,z3に角度θで入射している。
２はウエハ等の第２物体であり、第１物体１と間隔ｇ隔
てて対向配置されている。Δは第１物体１と第２物体２
との相対的な位置ずれ量を示している。z1,z2,z3,z6は
各々第１物体１面上に設けた透過型の物理光学素子であ
り、光束l1は物理光学素子z1,z2,z3に入射している。z
4,z5は第２物体２面上に設けた反転型（第２図では透過
型）の物理光学素子で、これらの物理光学素子z1〜z6は
例えば回折格子やゾーンプレート等から成っている。

第８図に本実施例に係る第１物体１と第２物体２面上
の物理光学素子のパターン例を示す。

物理光学素子z3はレンズ作用を有しその焦点はF1で焦
点距離f1である。物理光学素子z4は位置ずれ量と関係な
く、常に一定方向に回折光を発生するように構成されて
いる。l2〜l7は各々物理光学素子からの所定次数の回折
光、４はラインセンサーやエリアセンサー等のセンサで
第１物体１から距離Ｌだけ離れた位置に配置されてい
る。a1,a2,a3は各々物理光学素子z1,z2,z3の光軸であ
り、このうち光軸a1と光軸a2との間は距離D1、光軸a2と
光軸a3との間は距離D2だけ離れている。

点C1,C2,C3はそれぞれ回折光l4,l5,l7のセンサ上の光
束重心。このうち点C1は光軸a1から距離y0離れたところ
の点であり、点C3は光軸a3から距離y1離れた位置を示し
ている。

尚、ここで光束重心とは便宜上光束断面内に於て、断
面内各点からの位置ベクトルにその点の光量を乗算した
ものを断面全面で積分したときに、積分値が０ベクトル
になる点を示している。

５は信号処理回路であり、センサ４からの情報によ
り、光束l4,l5,l7の光束重心を求め、又距離y1,y0,D1,D
2等から後述する式を用いて第１物体１と第２物体２と
の位置ずれ量Δと間隔ｇを求めている。６は制御回路で
あり、信号処理回路５からの位置ずれ量Δと間隔ｇに関
する情報に従って第１物体１と第２物体２との位置ずれ
量Δと間隔ｇを制御している。

７はステージコントローラであり、第２物体２を搭載
している不図示のステージを制御回路６からの指令に従
って駆動している。

本実施例では光源からの光束l1は第１物体１面上の物
理光学素子z1,z2,z3に各々入射している。このうち物理
光学素子z1からは１次回折光l2が発生する。該回折光l2
は第２物体２面上の物理光学素子z4に入射し、光軸a1に
対して角度θ_０方向に１次回折光l3を発生する。回折光
l3が物理光学素子z6に入射すると光軸a1と平行方向に１
次回折光l4が発生する。そして該回折光l4はセンサ４上
の光軸a1から距離y0離れた位置に結像している。

物理光学素子z4は位置ずれ量Δに関係なく常に角度θ
_０方向に回折光を発生するので距離y0は位置ずれ量Δに
依存しない量となっている。

本実施例において距離y0の値が小さくて測定が難しい
ときはレンズ系等で拡大して行っている。光束l1から光
束l4に至る光路で検出系Ａを構成している。

物理光学素子z3に入射した光束l1のうち物理光学素子
z3で生じた１次回折光l6は物理光学素子z5に入射する。
そして位置ずれ量Δに応じて回折方向が異る１次回折光
l7が発生する。回折光l7は物理光学素子z3を０次回折光
としてそのまま通過する。該回折光l7はセンサ４面上の
光軸a3から距離y1離れた位置に結像する。センサ４と第
１物体１との距離は一定値Ｌなので距離y1の値は間隔ｇ
と位置ずれ量Δに依存する量となっている。光束l1,l6,
l7に至る光路で検出系Ｃを構成している。

一方物理光学素子z2に入射した光束l1は回折され、そ
のうち１次回折光l5は第２物体２で反射（第２図では通
過）し、光軸a2に従ってセンサ４に達する。光束l5の光
束重心C2は位置ずれ量Δと間隔に無関係に常に光軸a2上
にあり、センサ４面上の他の光束重心C1,C3の位置の基
準となっている。光束l1から光束l5に至る光路で検出系
Ｂを構成している。

本実施例において信号処理回路５はセンサ４から読込
んだ情報からまず光束l4,l5,l7の光束重心位置C1,C2,C3
を求めた後、点C1,C2間の距離d1、点C2,C3間の距離d2を
算出し、 y0＝d1−D1 y1＝D2−d2 なる関係から距離y0,y1を求めている。

更に距離y0,y1の値と後述する各式の関係を利用して
位置ずれ量Δと間隔ｇを求めている。

制御回路６は信号処理回路５からの位置ずれ量Δと間
隔ｇに関する情報に従ってステージコントローラ７を駆
動させて、所定の位置へ第２物体２を移動させている。

尚本実施例において回折光は１次回折光に限らず２次
以上の高次回折光を用いても同様の効果を得ることがで
きる。

本実施例では光源、センサ等を一箇所に集合させて構
成することができる為、光プローブが小型化され、又露
光時の光プローブの移動が不要の為、スルーブットがよ
り向上する等の特長を有している。

次に本実施例において第１物体１と第２物体２との位
置ずれ量Δと間隔ｇの求め方について第２図を参照して
説明する。

第２図の検出系Ｃは光束l1がレンズ作用の働きをする
物理光学素子Z3,Z5を通り、点C3に入射する。このとき
光束l7の光束重心C3までの距離y1は第１物体１と第２物
体２とのずれ量Δと間隔ｇによって決まる量であり、一
般に y1＝F1（Δ,g） のように表わされる。

一般に未知数が２つある場合、未知数を含む式が２つ
あれば未知数の解を求めることができる。即ち y1＝F1（Δ,g） ……（１） y0＝F0（Δ,g） ……（２） のような２つの関係式が用意できれば距離y1,y0を計測
することにより２つの未知数Δ,gを求めることができ
る。

特殊な場合として間隔ｇのみに依存する量をy0＝F0
（ｇ）としたとき の関係式より未知数Δ,gを求めることもできる。

第２図に示す検出系Ａにおいては y0＝g tanθ_０ ……（４） 検出系Ｃにおいては となる。（４）式、（５）を用いれば位置ずれ量Δと間
隔ｇを求めることができる。

第３図は本発明の第２実施例の要部概略図であり、第
２図と同様に示している。同図において検出系Ｂ、検出
系Ｃは第１図の検出系Ｂ、検出系Ｃの場合と同様な作用
を有している。

焦点F2、焦点距離f2の物理光学素子z7に光束l1が入射
すると物理光学素子z7からは１次回折光l8が発生する。
該回折光l8は物理光学素子z8に入射し、ずれ量Δに応じ
て回折方向が異なる１次回折光l9を発生する。該回折光
l9は光軸から距離y2の位置に結像する。このときの距離
y2の値はずれ量Δと間隔ｇに依存している。光束l1、l
8、そして光束l9に至る光路で検出系Ｄを構成してい
る。

本実施例ではずれ量Δと間隔ｇに関する２つの関係式 よりずれ量Δと間隔ｇを求めている。

検出系C,Dは式y1＝F1（Δ,g）、y2＝F2（Δ,g）のい
ずれかに相当し、検出系Ｂは基準位置C2を発生してい
る。

光束l6の０次回折光l10の光束重心は第２物体２の位
置がずれていても光軸a3と一致するので検出系Ｂの代わ
りに使用することができ、そのときは点C5が基準位置と
なる。

点Ｃを基準位置としたときは第３図により y1＝d3−D3 y2＝d4−D4 の関係式より距離y1,y2を求めている。

尚、本実施例において検出系Ｄにおいては距離y2を より求めている。

第４図は本発明の第３実施例の要部概略図である。本
実施例では光束l1が角度θで第１物体１に入射している
が主要な動作は第３図に示す第２実施例と同様である。

第４図においては第３図の検出系C,Dを示している。

本実施例において第３図の実施例との主な相異点は基
準位置として点C5に入射する光束l10の光束重心を検出
していることである。点C5を検出することにより、第１
物体１と第２物体２とのずれ量が零になる合致時は光束
重心C3とC5とが一致してくる。この為物理光学素子z3,z
7の光軸と物理光学素子z5,z8の光軸とを予めδ1,δ２だ
けずらしておき合致のときに重ならないようにしてい
る。

従って第１物体１と第２物体２とがΔだけずれている
場合には（６）式のΔを各々 Δ１＝Δ＋δ１ Δ２＝Δ＋δ２ のように置き換えればよい。

第９図に本実施例に係る第１物体１と第２物体２面上
の物理光学素子z3,z7,z5,z8のパターン例を示す。同図
においてδ１は物理光学素子z3とz5との光軸のずれ量、
δ２は物理光学素子z7とz8の光軸のずれ量を示してい
る。

第５図は本発明の第４実施例の要部概略図であり第２
図と同様に示している。

本実施例では第１物体１面上の物理光学素子に偏心を
与えている。この為、合焦時でも第１物体１と第２物体
２面上の物理光学素子の光軸はずれ（ずれ量：δ）てい
る。

従って第４図の実施例と同様、第1,第２物体がΔだけ
ずれている場合には（１），（２）式のずれ量Δは Δ３＝Δ＋δ３ Δ４＝Δ＋δ４ となる。

本実施例において光束l1が物理光学素子z9,z10に入射
すると１次回折光l12,l14が発生する。又光束l12,l14が
物理光学素子z11,z12に入射すると１次回折光l13,l15が
発生し、光軸a5,a6から距離y3,y4の位置に結像する。

本実施例では検出系Ｅにおいては となる。又検出系Ｆにおいては となる。

尚、検出系Ｂの光束重心C2は第２図の検出系Ｂと同様
で他の位置の基準となっている。検出系Ｂの光軸は他の
実施例のように他の２つの検出系の光軸の中間に位置し
ている必要はなく、どこにあっても良い。

本実施例においては距離y3,y4は y3＝d5−D5 y4＝（D5＋D6）−d6 式より求めることができる。

第６図は本発明の第５実施例の要部概略図であり、第
２図と同様に示している。

本実施例では第１物体１と第２物体２との間隔ｇが不
適切である為センサ面上の光束像がずれたり又はボケた
場合を示している。同図に示すように間隔ｇが変動する
とセンサ上の光束の半値幅αは変動する。又ずれ量Δが
変動しても半値幅αは変動する。従って半値幅αはα＝
F3（Δ,g）のようになる。又光軸a7と光束重心C9間の距
離y5はy5＝F5（Δ,g）となり、これより となる。この２式からΔ,gを求めている。

本実施例では半値幅αと同じ値を示す点は結像点の前
後に２箇所あるが、第２物体２を右又は左に動かしてそ
れより前後関係を求めている。

本実施例は１つの検出系から２つの式が得られる特殊
な場合を示している。

本実施例では光束の集光する角度が大きいほど、光軸
方向の単位長さ当りの光束の半値幅の変化が大きいの
で、間隔ｇの変化に対する半値幅の変化を感度よく検出
することができる。即ちレンズ系の焦点深度が浅くな
り、これより感度よく半値幅αの変化を検出している。

従って、図から分かるように物理光学素子z13,z14は
位置合わせ方向に長い方が検出系の感度は良くなる。

距離y5を測定するには検出系Ｂのような基準位置を発
生するものが必要であるが、第５実施例のように光束l1
6が物理光学素子z14を０次回折光として通過しセンサ４
に達する光束を利用してもよい。

第７図は本発明の第６実施例の要部概略図である。本
実施例では第２図に示した距離y0が第１物体１と第２物
体２との間隔ｇにのみ依存する場合である。即ち前述の
（３）式、y0＝F0（ｇ）の場合に相当している。

同図において光束l1が物理光学素子z15に入射すると
１次回折光l18が発生する。該回折光l18が物理光学素子
z16に入射すると０次回折光が透過すると共に角度θ６
方向に１次回折光l20が発生する。

一方回折光l18の０次回折光が物理光学素子z17に入射
すると角度θ６方向に１次回折光l21が発生する。これ
らの回折光l20,l21はセンサ上の点C10,C11面上に結像す
る。

本実施例では光束l1から光束l20若しくは光束l21に至
る光路より検出系Ｇを構成している。

本実施例において点C10,C11間の距離y6は y6＝ｇ・tanθ６ 式より得、これより間隔ｇを求めている。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体と第２物体との位置ずれ量Δ
と第１物体と第２物体との間隔ｇを求めることにより、
合致状態を誤認することがなく、又間隔ｇの値からずれ
量Δを補正することも可能となり、高精度な位置合わせ
が出来しかもスループットの高い位置合わせ装置を達成
することができる。例えば本発明の位置合わせ装置にお
ける検出系Ｃで位置合わせする場合、前述の諸定数がｇ
＝30μｍ、f1＝100μm,L＝18000μｍ、y1＝300μｍの
時、間隔ｇに0.3μｍの誤差があると、ずれ量Δには0.0
05μｍの誤差が生ずる。従って0.01μｍの精度で位置合
わせしようとするときは間隔ｇの誤差を0.3μｍ程度以
下にする必要がある。

本発明によれば位置ずれ量Δ、間隔ｇを同時に測定
し、間隔ｇの誤差を0.3μｍ以内に押えることが可能な
ので、0.01μｍの精度の位置合わせが可能である。

又、本発明においては物理光学素子を位置ずれ量Δと
間隔ｇの両方の検出に共用するようにし、これにより光
束や物理光学素子の数を減少させ、検出系の簡素化及び
装置全体の小型化を図っている。

この他、距離y1,y2等のセンサ上の値を２つの値の差
として得、これにより第２物体２がアライメント方向に
傾いたために生ずる誤差を相殺し、より正確な位置合わ
せを可能としている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は第
１図の各光束の光路を模式的に展開したときの要部概略
図、第３図〜第７図は順に本発明の第２〜第６実施例の
要部概略図、第８図は第１図における第１物体１と第２
物体２面上に設けた物理光学素子の説明図、第９図は第
４図における第１物体１と第２物体２面上に設けた物理
光学素子の説明図、第10図（Ａ），（Ｂ），第11図は従
来の位置合わせ装置の概略図である。 図中、１は第１物体、２は第２物体、４はセンサ、５は
信号処理回路、６は制御回路、７はステージコントロー
ラ、l1〜l21は光束、z1〜z17は物理光学素子、a1〜a8は
物理光学素子の光軸、Δ，Δ１〜Δ４は位置ずれ量,gは
間隔である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−157033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−168226（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−190725（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１物体面上と第２物体面上に各々物理光
   学素子を設け、これらの物理光学素子に入射させた光束
   の所定面上に生ずる所定次数の回折光束を検出すること
   により該第１物体と第２物体との相対的な位置合わせを
   行う際、該第１物体と第２物体の相対的なずれ量Δと該
   第１物体と第２物体との間隔ｇに依存する２つの量と、
   ずれ量Δ、間隔ｇの双方に依存しない量との組合わせか
   ら、又はずれ量Δと間隔ｇに依存する量、間隔ｇにのみ
   依存する量そしてずれ量Δと間隔ｇのどちらにも依存し
   ない量との組合わせからずれ量Δと間隔ｇを求め、この
   ときの該ずれ量Δと間隔ｇを利用して、該第１物体と第
   ２物体との位置合わせを行ったことを特徴とする位置合
   わせ装置。
2. 【請求項２】第１物体面上と第２物体面上に各々物理光
   学素子を設け、これらの物理光学素子に入射させた光束
   の所定面上における所定次数の回折光束を検出すること
   により該第１物体と第２物体との位置合わせを行う際、
   該第１物体と第２物体とのずれ量Δと間隔ｇの双方を同
   時に求め、このときのずれ量Δと間隔ｇの値から補正手
   段によりずれ量Δを補正した後、該第１物体と第２物体
   との相対的な位置合わせを行ったことを特徴とする位置
   合わせ装置。