JP2899026B2 - マーク検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マスクに形成されたパターンが転写される
被投影露光基板上のマークを検出するマーク検出装置に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、半導体素子の製造にはウエハを順次ステップ移
動させながら縮小投影露光を行なうステッパが用いられ
ている。そして、半導体素子はマスク上の回路パターン
を順次重ねあわせて露光することによって製造される。
このため、ウエハ上の回路パターンとマスク上の回路パ
ターンは、短絡，断線がないよう、高精度に位置合わせ
（以下、これをアライメントと呼ぶ）される必要があ
る。通常、このアライメントは、ウエハ上またはマスク
上の合わせ用アライメントマークの信号波形を光学的に
検出し、これから求めた位置情報に基づいて、ウエハス
テージまたはマスクステージを移動させることによって
行なわれる。したがって、重ねあわせ精度は、まずアラ
イメントマークの検出精度に依存する。

一方、ウエハ上のアライメントマークの検出信号波形
は、レジストの膜厚や塗布むら、マークの段差形状や深
さなどによって変化する。これらの条件は、半導体製造
の各プロセスで異なるため、プロセスによっては、波形
のコントラストや対称性が劣化し、検出位置の精度が低
下合する場合が生じる。しかし、このような場合も検出
照明光の波長を変えることによって波形形状が向上し、
精度を向上させることができる。このため、特開昭63−
70521号公報に記載のように、複数の波長の異なる光源
を用意し、これらをプロセスによって使い分ける方法が
提案されている。

ところで、重ねあわせ精度は、プロセスによるウエハ
の伸縮やアライメントマークの非対称化、または縮小レ
ンズの倍率変化等によっても劣化する。このため、通常
は製品露光を行なう前に、まず試し露光を行ない、現像
後顕微鏡等によって重ねあわせ精度の評価を行なってい
た。

そこで、重ね精度を劣化させる要因のうち、特に縮小
レンズの倍率変化を測定する装置が特開昭60−238836号
公報に記載されている。この装置は、露光前後の光学的
特性の変化を潜像として検出し、２つの潜像パターンの
ピッチから、現像なしで倍率変化を測定するものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 特開昭63−70521号公報に記載の技術では、検出光学
系を固定したため、縮小レンズのアライメント照明光に
対する色収差補正光学系が、選択する波長の種類だけ必
要であった。

また、特開昭60−238836号公報に記載の技術を重ねあ
わせ精度評価に適用する場合は、潜像とアライメントマ
ークの両方を検出する必要がある。この時、アライメン
ト用の検出光学系を重ねあわせ精度評価光学系と兼用す
る場合は、潜像とアライメントマークの両者の結像位置
を合わせるため、両者の照明光を同一にする必要があっ
た。

本発明の目的は、被投影露光基板上に塗布された感光
層に潜像として形成されたマークを、コントラストを向
上させて検出し得るようにしたマーク検出装置を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明においては、マス
クに形成されたパターンが転写される被投影露光基板上
に塗布された感光層に潜像として形成されたマークを検
出するマーク検出装置において、複数の波長の光を発生
する光源と、該光源で発生された光の中から、前記感光
層の露光前と露光後の透過率の差が最大となる波長もし
くはそれに近い波長を選択し検出照明光とする波長選択
手段と、前記マークの像の合焦点手段とを設けた。

［作用］ 被投影露光基板上に塗布された感光層に転写された潜
像として形成されたマークに対し、光源で発生された光
の複数の波長の中から、前記感光層の露光前と露光後の
透過率の差が最大となる波長のもしくはその波長に近い
波長を選択することにより、潜像のコントラストを向上
させて潜像を検出するとともに、前記マークの像を合焦
点手段に結像させて、マークの検出精度を向上させる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明のマーク検出装置を通る光束を示した
図である。

この第１図に示す実施例の装置は、光源である水銀ラ
ンプ11と、ビームスプリッタ12と、マスク（図示せず）
に形成された回路パターンを被投影露光基板であるウエ
ハ６上に転写する投影光学系と、ウエハステージ81と、
ウエハ６の位置検出用のパルスモータ82およびレーザ測
長機83と、複数の波長の検出照明光であるアライメント
照明光14から任意の波長を選択する波長選択手段と、前
記マークの像の合焦点手段とを具備している。

前記水銀ランプ11は、露光光13およびアライメント照
明光14に用いられる光を発生し、照射するようになって
いる。

前記回路パターンの投影光学系は、レチクル４と、縮
小レンズ５とを有している。

前記アライメント照明光14の波長選択手段は、アクロ
マートレンズ21と、干渉フィルタ22と、この干渉フィル
タ22の回転ホルダ231と、これのパルスモータ232とを備
えている。

前記マークの像の合焦点手段は、検出光学系３と、こ
れを移動させる検出光学系ステージ71と、これの駆動手
段であるモータ72と、前記検出光学系ステージ71を介し
て検出光学系３の位置を検出するエンコーダ73と、制御
回路９とを具備している。前記検出光学系３は、アクロ
マートレンズ31と、ビームスプリッタ34と、対物レンズ
32と、他のアクロマートレンズ35と、反射鏡39と、もう
一つのアクロマートレンズ36と、シリンドリカルレンズ
37と、１次元受光素子38とを備えている。

前記制御回路９は、検出光学系ステージ71のモータ72
と、前記干渉フィルタ22の回転ホルダ231のパルスモー
タ232と、ウエハステージ81のパルスモータ82等を制御
するようになっている。

前記検出光学系３の対物レンズ32と縮小レンズ５間に
は、折り返しミラー42が配置されている。また、前記干
渉フィルタ22と検出光学系３のアクロマートレンズ31間
には、反射鏡25が配置されている。

前記水銀ランプ11から照射された光は、ビームスプリ
ッタ12によって露光光13とアライメント照射光14に分け
られる。

前記露光光13は、図示しない光学系によりレチクル４
に導かれ、レチクル４上の回路パターンは縮小レンズ５
を介して、ウエハ６上に塗布された感光層であるレジス
ト（図示せず）に転写される。

一方、前記アライメント照射光14はアクロマートレン
ズ21によって平行光束となり、干渉フィルタ22に入射
し、透過光24の波長が選択される。干渉フィルタ22は、
回転ホルダ231によって保持され、パルスモータ232を回
転させることによって別の干渉フィルタと交換でき、透
過光24の波長を変えることができる。なお、パルスモー
タ232は制御回路９によってコントロールされる。前記
透過光24は、アクロマートレンズ31によって縮小レンズ
５の入射瞳51と共役位置にあるＡ面上に集光される。前
記対物レンズ32は、Ａ面を入射瞳51上に結像することに
より、ケーラ照明を実現し、ウエハ６上の照度分布を一
様化する。なお、折り返しミラー42はレチクル４上の回
路パターンの情報を含む露光光13を遮らない位置に置か
れる。

ウエハ６からの戻り光41は、折り返しミラー42により
検出光学系３へ反射され、対物レンズ32で再びＡ面に集
光され、ビームスプリッタ34で反射され、アクロマート
レンズ35,36によって、Ａ点との共役位置Ｂに集光され
る。前記シリンドリカルレンズ37は、Ｂ点を１次元受光
素子38に結像し、１次元に圧縮されたウエハ６の像信号
が制御回路９に送られる。

次に、第２図は縮小レンズ５と検出光学系３の結像関
係を示す。

ウエハ６の上面は、縮小レンズ５により結像位置C₁に
結像される。結像位置C₁は、対物レンズ32とアクロマー
トレンズ35によってＤ点に結像され、Ｄ点はアクロマー
トレンズ36によって１次元受光素子38上に結像される。
なお、第２図中でシリンドリカルレンズ37と１次元受光
素子38は、第１図のシリンドリカルレンズ37と１次元受
光素子38の側面図を示している。

ところで、縮小レンズ５は露光光13に対して設計され
ているため、これと異なる波長を持つアライメント照明
光14に対しては縦色収差を持ち、ウエハ６の結像位置C₁
はアライメント照明光14の波長によって移動する。した
がって、干渉フィルタ22によって波長が変えられたと
き、結像位置C₁を１次元受光素子38上に結像させるに
は、検出光学系３の結像位置を移動させる必要がある。
このため、検出光学系３全体を支える検出光学系ステー
ジ71をモータ72によって駆動する。また、検出光学系ス
テージ71を、対物レンズ32の焦点位置と結像位置C₁とが
一致するように位置決めする必要がある。このため、モ
ータ72には回転角を検知するためのエンコーダ73が取り
付けられている。エンコーダ73の信号は制御回路９に送
られ、モータ72がコントロールされる。なお、位置決め
するための信号は、検出光学系ステージ71の移動距離を
検知する測長機を別途取り付けることによって得てもよ
い。また、１次元受光素子38からの検出波形をモニタ
し、検出波形のコントラストが最大になる位置で検出光
学系ステージ71を位置決めしてもよい。

さらに、第３図は検出光学系３の一部分を移動させる
ようにした他の実施例を示す図である。

前記検出光学系３全体を移動させる代わりに第３図に
示すように、アクロマートレンズ31と対物レンズ32とを
小ステージ74により移動させてもよい。小ステージ74は
モータ75によって駆動され、移動距離はエンコーダ76に
よってモニタされる。エンコーダ76の信号は制御回路９
に送られ、モータ75がコントロールされる。位置決めは
前記のように、測長機や検出波形のコントラストを用い
て行なってもよい。

ついで、第４図は検出波形の中心と１次元受光素子の
基準位置の関係を示す図である。

次に、前記第２図と第４図により、アライメント方法
を説明する。まず、ウエアステージ81をパルスモータ82
により、設計上の検出波形中心位置が１次元受光素子38
の基準位置X₀と一致するまで移動させる。座標は、レー
ザ測長機83によって制御回路９に読み込まれる。実際の
検出波形381の中心Ｘは、プロセスによるウエハの伸縮
やアライメントマークの非対称化、または縮小レンズの
倍率変化等によって発生するオフセットにより基準位置
X₀からΔＸだけずれる。このΔＸに相当する量だけウエ
ハステージ81を移動させることにより、アライメントを
行なう。

次に、前記マーク検出装置を重ねあわせ誤差の評価装
置として用いる方法について述べる。

第５図は潜像の検出原理を示す図、第６図（ａ）は下
地の重ねあわせ評価用マークの形成を示す断面図、第６
図（ｂ）はレジスト中の重ねあわせ評価用マークと潜像
の検出波形を示す図である。

まず、潜像の検出原理を第５図を用いて説明する。ｇ
線やｉ線のポジレジストでは、例えばSolid State Tech
nology/日本版/September 1988,pp26−33（ソリッド・
ステイト・テクノロジー／日本版/9月号1988,pp26−3
3）に示されているように、露光前と露光後で波長に対
する透過率特性が変化する。すなわち、300nm〜450nmで
は、露光前は不透明だった部分が露光後は透明になる。
この変化は、特定の波長、例えばｈ線（408nm）付近で
最大になる。したがって、この現象を利用すれば、露光
後のパターンを現像なしで検出することが可能となり、
例えばｈ線で照明すれば、検出像のコントラストは最大
となる。

次に、前記潜像と重ねあわせ評価用マークおよびこれ
らの検出波形を第６図（ａ），（ｂ）により説明する。

重ねあわせ評価用マーク62は、前工程で、例えば二つ
の凹部によって形成される。この上にレジスト61が塗布
され、第１図〜第３図に示すレチクル４上の潜像形成用
パターンが露光される。この結果、第６図（ａ）に示す
ように、レジスト61は露光部611と未露光部612に分かれ
る。これらをｈ線で検出すると、検出信号63には重ねあ
わせ評価用マーク62のエッジ部分と未露光部612に対応
したところに谷ができる。これらから重ねあわせ評価用
マーク62の位置X_A,X_B、および未露光部612の位置Y_A,Y_B
が、例えば特公昭62−2284号公報に開示されているよう
な手法で求められる。これらの値を用いて、重ねあわせ
評価用マーク62の中心位置X_C、未露光部612の中心位置Y
_Cは、次式によって求められる。

X_C＝（X_A＋X_B）/2 Y_C＝（Y_A＋Y_B）/2 ころらから重ねあわせ誤差ｅは、次式によって与えら
れる。

ｅ＝Y_C−X_C 重ねあわせ誤差ｅは、数ショットの重ねあわせ誤差ｅ
の平均値や３σ（σは標準偏差）によって評価してもよ
い。ただし、ｈ線はこのレジストの感光波長であるの
で、重ねあわせ評価用マーク62、および未露光部612は
回路パターンに影響を及ぼさない領域、例えばスクライ
ブエリアなどに形成されるべきである。

また、レジスト61には、定在波の発生によってパター
ン断面が波打つのを防ぐために露光光を吸収する吸光剤
が含まれている場合が多い。このような場合は、第２図
において、まず干渉フィルタ22でｈ線を選択し、検出光
学系ステージ71で対物レンズ32の焦点位置と縮小レンズ
５のｈ線結像位置が一致するように移動させた後、未露
光部612を検出する。その後、干渉フィルタ22で吸光剤
に吸収されない波長を選択し、この波長での縮小レンズ
５の結像位置と対物レンズ32の焦点位置が一致するよう
に検出光学系ステージ71を移動させ、重ねあわせ評価用
マーク62を検出する。ただし、検出光学系ステージ71に
ヨーイング等がある場合は、移動によって検出位置にオ
フセットが発生するので、予めこれを求めて検出位置を
補正する必要がある。

第７図は第２図に示す検出光学系の検出位置の補正の
説明図、第８図（ａ）は検出位置補正用のフィディシャ
ルマークを示す図、第８図（ｂ），（ｃ）は照明光の波
長変化による検出波形中心値をオフセットを示す図であ
る。

検出光学系３の検出位置にオフセットが発生した場合
は、第７図に示すように、ウエハステージ81上に、例え
ばクロムをエッチングして作ったフィディシャルマーク
64を設けておき、ウエハステージ81を移動させ、フィデ
ィシャルマーク64をまずｈ線で検出し、第８図（ｂ）に
示す中心位置Y_C0を算出し、次に干渉フィルタ22で吸光
剤に吸収されない波長の光を選択し、同一位置にあるフ
ィディシャルマーク64を検出し、第８図（ｃ）に示す中
心位置X_C0を算出する。この時、オフセットΔは Δ＝Y_C0−X_C0 したがって、Y_Cの補正位置Y_C′は Y_C′＝Y_C−Δ よって、補正後の重ねあわせ誤差ｅ′は ｅ′＝ｅ−Δ となる。

ところで、アライメント用の検出波形のS/Nは、レジ
ストの膜厚やターゲット段差深さ、下地膜の屈折率など
のプロセス条件によっては劣化する場合がある。しか
し、このような場合も第９図のように、アライメント照
明用の波長を変えることによって検出波形382から検出
波形383へとS/Nを向上させることができる。したがっ
て、アライメント精度を向上させるためには、プロセス
条件に対してアライメント照明光の波長を最適化する必
要がある。以下、この検出光学系３を重ねあわせ誤差評
価光学系として用い、評価結果から自動的に波長を選択
する方法について述べる。

第10図は第２図に示す検出光学系を用いて、Ｎ種類の
波長から望ましい波長を選択する波長選択方法のステッ
プを示す図、第11図（ａ）〜（ｃ）は第10図に示すステ
ップにおける露光方法を示す図である。

これら第２図，第10図および第11図（ａ）〜（ｃ）に
おいて、初めにステップ901で干渉フィルタ22により、
一つの波長を選択し、ステップ902で検出光学系ステー
ジ71を移動させ、ステップ903でアライメントを行な
い、ステップ904でまず第11図（ａ）のように露光を行
なう。

次に、ステップ901に戻り、干渉フィルタ22で別の波
長を選択し、以下ステップ902から904の手順で行ない、
第11図（ｂ）のように露光を行なう。

このように、ステップ901から904までの手順をＮ種類
の波長に対して繰り返し、ウエハ露光位置は第11図のよ
うに各波長で変える。このように露光することによっ
て、試し露光に必要なウエハ枚数を１枚にすることがで
きる。

次に、ステップ905により潜像検出光の波長を選択
し、ステップ906で検出光学系ステージ71を移動し、ス
テップ907で波長ｋのアライメント照明光でアライメン
トしたショットの潜像と重ねあわせ評価用マークを検出
し、ステップ908で重ねあわせ誤差ｅを算出し、ステッ
プ909でｅと予め設定された許容値を比較し、許容値を
満たす時のアライメント照明光を選択する。

ステップ909の代わりに、各アライメント波長におけ
る重ねあわせ誤差ｅを相対的に比較し、最小のものを選
択するといった方法を採ってもよい。

［発明の効果］ 以上述べたごとく、本発明によれば、マスクに形成さ
れたパターンが転写される被投影露光基板上に塗布され
た感光層に潜像として形成されたマークを検出するマー
ク検出装置において、複数の波長の光を発生する光源
と、該光源で発生された光の中から、前記感光層の露光
前と露光後の透過率の差が最大となる波長もしくはそれ
に近い波長を選択し検出照明光とする波長選択手段と、
前記マークの像の合焦点手段とを設けたので、被投影露
光基板上に塗布された露光層に転写された潜像として形
成されたマークに対し、光源で発生された光の複数の波
長の中から、前記感光層の露光前と露光後の透過率の差
が最大となる波長のもしくはその波長に近い波長を選択
することにより、潜像のコントラストを向上させて潜像
を検出するとともに、前記マークの像を合焦点手段に結
像させて、マークの検出精度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるマーク検出装置を通る
光束を示す図、第２図は第１図の検出光学系の結像関係
を示す図、第３図は第１図の検出光学系の他の実施例を
示す図、第４図は検出波形の中心と１次元受光素子の基
準位置との関係を示す図、第５図はレジストの露光前後
の波長に対する透過率変化の関係を示す図、第６図
（ａ），（ｂ）は下地の重ねあわせ評価マークおよびレ
ジスト中の重ねあわせ評価用の潜像と検出波形を示す
図、第７図は第２図に示す検出光学系の検出位置の補正
の説明図、第８図（ａ）は検出位置補正用のフィディシ
ャルマークを示す図、第８図（ｂ），（ｃ）は照明光の
波長変化による検出波形中心値のオフセットを示す図、
第９図はアライメント照明光の波長変化による検出波形
の変化を示す図、第10図は第２図に示す検出光学系を用
いて、Ｎ種類の波長から望ましい波長を選択する波長選
択方法のステップを示す図、第11図（ａ）〜（ｃ）は第
10図に示すステップにおける露光方法を示す図である。 11……光源である水銀ランプ、12……ビームスプリッ
タ、13……露光光、14……検出照明光、４……パターン
の投影光学系のレチクル、５……同じく縮小レンズ、６
……被投影露光基板であるウエハ、81……ウエハステー
ジ、22……波長選択手段を構成している干渉フィルタ、
231……干渉フィルタ用の回転ホルダ、232……同パルス
モータ、24……透過光、42……折り返しミラー、３……
合焦手段を構成している検出光学系、71……検出光学系
ステージ、72……検出光学系ステージの駆動手段である
モータ、73……検出光学系の位置検出用のエンコーダ、
74……検出光学系の小ステージ、75……小ステージ駆動
用のモータ、76……小ステージの位置検出用のエンコー
ダ、61……ウエハ上の感光層であるレジスト、62……重
ねあわせ評価用マーク、611……露光部、612……未露光
部、ｅ……重ねあわせ誤差、63……検出信号、64……フ
ィディシャルマーク、901〜909……Ｎ種類の波長から望
ましい波長を選択する方法のステップ。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−212437（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−109719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−50420（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−299122（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−274802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−48415（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−41805（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−316431（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−237522（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−147273（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−90825（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−70521（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−18625（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−262423（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−196825（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−114529（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−238836（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−126831（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−79527（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクに形成されたパターンが転写される
   被投影露光基板上に塗布された感光層に潜像として形成
   されたマークを検出するマーク検出装置において、複数
   の波長の光を発生する光源と、該光源で発生された光の
   中から、前記感光層の露光前と露光後の透過率の差が最
   大となる波長もしくはそれに近い波長を選択し検出照明
   光とする波長選択手段と、前記マークの像の合焦点手段
   とを設けたことを特徴とするマーク検出装置。