JP2775519B2 - 参照レティクルを用いた２重焦点装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光軸方向に微小間隔隔てて配置された例
えばマスクとウエハーからなる第１の物体と第２の物体
間の相対位置を正確に検出するための位置検出装置に関
する。

［従来の技術］ この発明が適用されるＸ軸露光装置のアライメント装
置に限定すると、その位置検出方法は大きく次の３つに
分類される。

パターン計測法 フレネル回折法 回折格子法 この分類において、この発明はのパターン計測法に
係るものである。そこで、このパターン計測法について
従来技術を簡単に説明する。

最初にこれまで知られた文献を挙げる。

（１）「Ｘ線露光用位置合わせ法の研究」 1980年８月 精密機械 第46巻第８号 P.P.83〜88 （２）「Ｘ線露光装置SR−１のアライメント性能評価」 1985年 精密機械 第51巻第５号 P.P.156〜161 （３）「斜方結像光学系を用いたＸ線露光装置用アライ
メントパターン検出法」 1989年９月 精密工学誌 P.P.139〜145 （４）「色収差２重焦点装置による高精度位置検出（第
１報）」 1990年度 精密工学会秋季大会 P.P.667〜668 上記文献（１）においては、アライメント装置として
振動型光電顕微鏡を検出系に用いる。即ち、第８図にお
いて、光電顕微鏡30の焦点面をＸ線マスク１とウエハー
２に一致させるため、図示しない光電顕微鏡30の光軸移
動機構により対物レンズ31を光軸方向に移動させて、Ｘ
軸マスク１とウエハー２のアライメントマークを別々に
検出するようになっている。具体的には、先ず光軸を移
動させて対物レンズ31の焦点面をＸ軸マスク１に一致さ
せ、光電顕微鏡30内の基準スリット32とＸ軸マスク１の
アライメントマーク拡大像（10倍）の相対位置を検出し
た後、光軸を移動させてレンズの焦点面をウエハー２に
一致させて基準スリット32とウエハー２のアライメント
マーク拡大像の相対位置を検出するようにしている。

このシーケンスにより基準スリット32からのＸ線マス
ク１とウエハー２間の相対位置が計算されるため、Ｘ線
マスク１とウエハー２間の相対位置が求められる。

この装置の短所は、検出系の光軸を移動するため、光
軸に対して垂直な面内における光軸の移動量が検出誤差
となってしまうことである。つまり、Ｘ線マスク１を検
出したときの光軸の位置に対してウエハー２を検出した
ときの光軸の位置が光軸に対して垂直な平面内で（Δx,
Δｙ）μｍ移動したとすると、検出誤差に（Δx,Δｙ）
はその値で加算されてしまう。

問題は、この（Δx,Δｙ）の量であるが、Ｘ線露光装
置が目的としている検出分解能は0.01μｍ以下であり、
総合した検出精度も0.05μｍ以下であることから、少な
くとも（Δx,Δｙ）≦0.01μｍを達成しなければならな
い。

しかしながら、移動する対物レンズの光軸を0.01μｍ
以下で移動することが極めて困難なものであることは明
らかである。

この例のように、検出部に機械的あるいは電気的な駆
動部をもつことは、0.01μｍオーダーの位置検出を目的
とする装置においては最低限回避しなければならない課
題を抱えているといえる。

次に、上記文献（２）の装置を第９図に示す。この例
ではアライメントスコープの対物レンズに複屈折の原理
を利用した２重焦点レンズ33を用いて、Ｘ軸マスク１と
ウエハー２のアライメントマークの拡大像を同時に検出
している。

この装置の問題点を次に列挙する。

通常のレンズと同じ分解能（解像力）をもつコントラ
ストのよい結像を得るためには、通常の対物レンズの２
倍の開口数（N.A.）が必要となる。

上記の２倍の開口数を有する対物レンズを用いるこ
とで、焦点深度は極端に浅くなり、Ｘ線マスク１および
ウエハー２を２つの焦点面内で検出することが困難とな
る。

Ｘ線マスク１とウエハー２間のギャップを大きく設定
できない。即ち、複屈折面の屈折力およびレンズの収差
を考慮すると、設計上および製造上２重焦点間を大きく
離すことは極めて困難で、第９図においてはＸ軸マスク
１とウエハー２間の距離は10μｍに設定されている。

製作に高度の技術と技能を要するので、コストアップ
となる。

このように、この装置では前述した（１）の装置に比
べて駆動部分が無いのでそれだけ精度は向上するが、さ
らに精度を上げるためにはレンズ分解能を上げる必要が
ある。ところが、複屈折の原理を利用しているのでレン
ズ分解能が通常の半分以下になってしまうことや、設計
・製造上の点から極めて困難性が多いと云える。

次に、上記（３）の装置を第10図に示す。この装置で
は、低開口数の対物レンズを使用しＸ線マスク１および
ウエハー２に対して斜め方向から検出することによりＸ
線マスク１とウエハー２とを同時に観察できるようにし
たものである。斜めから検出することにより対物レンズ
34の焦点深度よりも大きく離れたＸ線マスク１とウエハ
ー２とを同時に観察することができるようにしたもので
ある。

この装置の問題点を次に列挙する。

十分な解像度を得るのには、対物レンズの開口数（N.
A.）を高くすればよいが、斜方結像のため、ウエハー２
とマスク１に対応した十分広いギャップを得ようとする
と、対物レンズ34の開口数（N.A.）を低くしなければな
らず、解像度とギャップを同時に満足することができな
い。

斜方結像のため、焦点面が極めて狭く、また像ボケの
ため十分広い範囲で結像したマークを検出することがで
きない。

斜方結像のため、結像パターンが傾斜し、計測誤差と
なる。

照明光軸と検出光軸の傾斜誤差がそのまま検出誤差と
なる。

これらのことを纏めると、レーリーの式で定義される
レンズの１つの焦点面を傾けることにより、大きく離れ
た物体面であるＸ線マスクとウエハーを同時に結像する
ため、解像度およびギャップ設定が互いに干渉してしま
い、両者を同時に満足させることは不可能となってい
る。

次に、上記（４）の装置の原理を示す光路図をを第11
図に示す。この装置では対物レンズ35の軸上色収差を利
用して同一光軸上に２つの焦点面M,M′と異なる２つの
波長で結像する１つの結像面Ｂをもつ光学系を実現して
いる。この２つの焦点面M,M′においては、レーリーの
定義式が独立に成立するため、必要なレンズ解像度をＸ
線マスク１とウエハー２間のギャップδとは全く無関係
に自由に選択することができるため、検出光学系として
は理想的である。

また、本件発明者により「色収差を利用した２重焦点
検出装置における複色照明法および帯域光照明法」（特
願昭63−261379号参照）が提案されており、これによれ
ばウエハー２面を帯域光で検出することができるため、
アライメント装置としてもレジスト膜などのウエハープ
ロセスの影響も全く受けないため、非常に有効な手段で
ある。

この装置の欠点は、設計・製造を含む技術的な問題点
は無いが、開発コストがある程度必要なことである。も
し、極めて安価に一般的な光学部品で計測に必要十分な
２重焦点をもつ光学系が実現することができるのであれ
ば、これが最良の方法であろう。

［発明が解決しようとする問題点］ このように、Ｘ線露光装置のアライメント装置は種々
の工夫がなされている。そしていずれも検出系に光学系
を使用している。この検出系にレンズを使用するもので
は、第６図に示すように、例えば40μｍ離れたＸ線マス
ク面１とウエハー面２を対物レンズ３により同時に検出
しようとすると、レンズの開口数N.A.＝0.4とし、焦点
が合う範囲、即ち、焦点深度はレーリーの式から3.5μ
ｍであり、40μｍ離れたＸ線マスク面１とウエハー面２
を同時に検出することは不可能である。一般的にレンズ
の特性は解像度と焦点深度で表わされ、これらはレーリ
ーの式、即ち、 で定義される。

これらの式（１），（２）から明らかなように、焦点
深度および解像度は波長λを一定とすればレンズの開口
数（N.A.）で決まってしまう。

第７図に焦点深度と開口数（N.A.）の関係をグラフに
示す。このグラフから開口数（N.A.）と焦点深度は反比
例の関係にあり、解像度を高くするために開口数を上げ
ると焦点深度が浅くなり、逆に焦点深度を深くしようと
すると開口数（N.A.）が下がり、レンズ解像度が低くな
ってしまうことが分かる。

つまり、第６図において大きく離れたＸ線マスク面１
とウエハー面２とを同時に検出するためには、焦点深度
を深くしなければならず、開口数（N.A.）を低く設定す
るために、レンズ解像度は大きく低下してしまうことに
なる。

因に、Ｘ線マスク面１とウエハー面２とを同時に検出
するために、焦点深度を40μｍに設定したとすると、上
記（１）式よりN.A.＝0.08と極めて小さくなり、解像度
は（２）式より４μｍとなってしまう。

本件発明者の実験によれば、N.A.≧0.3で0.01μｍの
検出分解能が得られていることから、上記レーリーの式
（１），（２）で定義される一般的なレンズを使用し
て、Ｘ軸マスクとウエハーとを同時に十分な解像度で検
出することは不可能なことである。

この出願の発明は、このような点に鑑みてなされたも
ので、レンズの基本性質を満足した上で、大きく離れた
Ｘ線マスクとウエハーとを十分な解像度で検出し、両者
の相対位置計測に必要十分な２重焦点光学系を極めて容
易に実現することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明では、光軸方向に微小距離離間した第１の物
体と第２の物体の光軸に直交する方向の相対位置を検出
する位置検出装置において、第１の物体と第２の物体間
の微小距離に相当し、対物レンズの倍率から決定される
厚みを有し、両面に第１の物体と第２の物体の位置検出
に必要とするマークが形成されている参照レティクルを
対物レンズの２つの結像位置に設けたことを特徴とする
参照レティクルを用いた２重焦点装置である。

また、この発明では、参照レティクルの両面に結像し
た第１の物体と第２の物体の像を、さらに拡大するため
に参照レティクルの両面に焦点が一致するように２つの
リレーレンズを光路分岐して配置することを特徴とする
参照レティクルを用いた２重焦点装置である。

［実 施 例］ 以下、図面に基づいてこの発明の実施例を説明する。
第１図は、参照レティクルを用いた２重焦点装置の基本
構成を示す光路図である。ギャップδμｍ隔てて配設さ
れたＸ軸マスク１とウエハー２を対物レンズ14で同時に
検出するため、対物レンズ14の右側にハーフミラー12を
45度の角度に光路内に配置し、上からハロゲンランプ等
の白色光源11からの照明光を反射させ、対物レンズ14を
介して落射型照明を行う。照明されたＸ軸マスク１上の
マスクマーク３とウエハーマーク２の像は、ハーフミラ
ー12を透過し対物レンズ14により光軸上のＡ点,B点に離
れて結像される。このＡ点,B点の間隔は対物レンズ14の
倍率をＮとするとδ・N²である。この位置に厚さδ・N²
の平行平面板の参照レチクル16を挿入し、左側のＡ点の
中央の光軸上にウエハー参照マーク15を、右側のＢ点の
上，下にマスク参照マーク17をクロム等のレチクルによ
って形成する。

したがって、ウエハーマーク２は対物レンズ14により
Ｎ倍に拡大した像をＡ点に結像し、この像はウエハー参
照マーク15とともに光軸上に45度の角度に設けられたハ
ーフミラー18により下方に反射され、第１リレーレンズ
19によりラインセンサ20に結像する。一方、Ｘ軸マスク
１上のマスクマーク３の像は対物レンズ14によりＢ点に
結像し、この像はマスク参照マーク17とともにハーフミ
ラー18を透過し、第２リレーレンズ21によりラインセン
サ22に結像することになる。

ラインセンサ20上に結像されたパターン30は、第２図
（Ａ）に示すように中央のウエハー参照マーク15の像を
挟んでウエハーマーク２の像が平行に投影されている。
また、ラインセンサ22上に結像されたパターン32は、第
３図（Ａ）に示すように中央のマスクマーク３の像を挟
んでマスク参照マーク17の像が平行に投影されたもので
ある。したがって、これらのラインセンサ20,22によっ
て検出される波形は、第２図（Ｂ），第３図（Ｂ）にそ
れぞれ示す31,33の波形になる。

ウエハー結像パターン30においては、ウエハー参照マ
ーク15とウエハーマーク２間の相対位置αが計測でき
る。また、マスク結像パターン32においては、マスクマ
ーク３とマスク参照マーク17間の相対位置βが計測でき
る。

ウエハー参照マーク15とマスク参照マーク17は、参照
レティクル16の両面に形成されているため、両者のマー
ク位置関係は一定であることから、マスクマーク３とウ
エハーマーク１の相対位置は（α−β）により求められ
る。この相対位置（α−β）は、参照レティクル16の光
軸方向の移動によっては全く影響を受けることがない。
参照レティクル16が光軸に垂直方向にΔｘだけ移動した
ときの相対位置は、 α−β＝（α＋Δｘ）−（β＋Δｘ） ＝（α−β） …（３） であり、これも全く影響を受けることがない。

以上の説明から、参照レティクル16を対物レンズ14の
結像位置に設けることにより、光軸19上で別々の位置A,
Bに結像したウエハーマーク１とマスクマーク３の相対
位置を計測することが可能になることが分かる。

つまり、第１図に示される光学系は、Ｘ線マスク１と
ウエハーマーク２に対して各々焦点を持ち、その焦点面
と物体間の光軸に直交する平面内における相対位置を計
測することが可能である。この光学系は、各焦点面で各
々レーリーの式（１）および（２）が成立するため、ギ
ャップδとは全く無関係に必要なレンズ解像度つまり開
口数（N.A.）を自由に設定することが可能である。

また、白色照明光により、各焦点面の像が結像するた
め、ウエハープロセスに対しても全く影響が受けること
なく理想的なものである。さらに、白色照明であるた
め、Ｘ線マスク１とウエハーマーク２間の多重反射干渉
は全く無く、ギャップδの変動の影響も全く受けること
がない。

さらに、Ｘ線マスクに対しても、白色で結像するた
め、マスクの厚さおよび屈折率および分光透過率等につ
いても全く制約条件がなく、極めて都合が良い。

したがって、この光学系は、光軸方向に微小距離離れ
た２物体の光軸に直交する方向の相対位置を検出するた
めに必要な２つの焦点を持った光学系と云える。また、
コストの点は特別なレンズや光学部品を何ら必要としな
く、全て市販品で構成することができることから、極め
て安価なものとなる。

参照レティクル16についても特別な部品でなく平行平
面ガラス板にクロム等を１層または２層蒸着して容易に
極めて安価に形成できる。

次に、上記実施例における詳細な点について補足説明
を行う。第１にハーフミラー18と第1,第２リレーレンズ
19,21の関係である。ハーフミラー18は参照レティクル1
6からの光路を２分割するものでその反射率および透過
率が50:50に光量を２等分することが望ましい。したが
って白色光源11からの照明光の光量を通常の落射型顕微
鏡の２倍が必要となるが、この光量増加は白色光源11の
出力アップで容易に対応することが可能である。また、
この光路分岐は、第1,第２リレーレンズの開口数（N.
A.）には全く影響を与えない。

次に、参照レティクル16について説明する。参照レテ
ィクル16の両面A,Bは対物レンズ14によるウエハーマー
ク２とＸ軸マスク１上のマスクマーク３の結像面となっ
ているため、反射防止膜をコートすることが望ましい。

また、両面に形成するウエハー参照マーク15およびマ
スク参照マーク17は、一般的な１層クロムあるいは２層
クロムで十分である。

次に、倍率誤差について説明する。対物レンズ14で結
像するウエハーマーク１およびマスクマーク３の間には
極めて僅かではあるが倍率誤差が生じる。しかしなが
ら、この倍率誤差は最終的に結像したウエハーパターン
30とマスクパターン32を検出するラインセンサ20,22に
おいて簡単に補正することができる。具体的には、ライ
ンセンサ20,22で得られた電気信号を量子化した後、デ
ジタル処理を行う際のスケーリング係数（光学的な拡大
倍率に相当）を調整するだけで良く、前記従来技術にお
ける文献（４）において既に適用されている方法であ
る。

次に、レンズの解像度について説明する。第１図に示
す光学系において、検出されるウエハーマーク２とＸ線
マスク１上のマスクマーク３の光学的な解像度は、対物
レンズ14の開口数（N.A.）により決定される。この開口
数は、ウエハーマーク２とマスクマーク３間のギャップ
δには全く無関係に設定される。

その設定値は、開口数から決まるレンズの焦点深度と
ウエハーマーク２の段差の関係およびギャップδの制御
精度から 0.3≦N.A.≦0.5 …（４） の範囲に設定される。

また、対物レンズ14の物体面であるウエハーマーク２
からギャップδだけずれた位置にあるマスクマーク３の
解像度は、設計上極めて僅かではあるがウエハーマーク
２の解像度に比べて低下するが、これは全く無視してよ
い量である。

次に、相対位置検出のための信号処理について説明す
る。第１図に示す光学系において、ラインセンサ20,22
でそれぞれ検出された像は電気信号に変換され、ウエハ
ー信号波形31およびマスク信号波形33となる。これらの
信号波形を量子化して、デジタル信号処理することによ
り、ウエハーマーク１とマスクマーク３の相対位置を求
めることになる。ここで、デジタル信号処理の流れを第
４図および第５図に示す。

第４図は、量子化されたウエハー信号波形31およびマ
スク信号波形33に相当するもので、このデジタル波形を
１次微分処理を行って第５図に示すようなデジタル波形
にする。相対位置は、この第５図に示した１次微分デー
タに で定義される相似性パターンマッチングと呼ばれる相関
式によって求められる。

その相似性パターンマッチングは、左右のパターンの
幅Ｗに対して極めて敏感な関数であり、相関値Ａ（W,
P）が最大値となる左右パターンの幅Ｗをマーク間の距
離としている。なおこの処理は、本件発明者による「ア
ライメントマークの位置検出方法」として既に特許出願
されている。（特願昭63−242598号参照） 次に、参照レティクルの厚さと解像度について説明す
る。参照レティクル16の両面に生じるウエハーマーク２
およびマスクマーク３の像は、対物レンズ14によって形
成される中間像であって、参照レティクル16の厚さδ・
N²は第１リレーレンズ19および第２リレーレンズ21の解
像度には影響を与えることがない。

次に、第１図における具体的な設計例を示す。

ギャップδ＝30μｍ 対物レンズ14 N.A.＝0.35 作動距離（W.D.）＝20mm 倍率＝10× 参照レティクル16 厚さδ・N²＝3mm 両面反射防止膜コート ウエハー参照マーク15およびマスク参照マーク17＝２
層クロム， 厚さ＝0.3μmt マーク幅＝７μｍ（ウエハー上では7/10＝0.7μｍ） 第1,第２リレーレンズ19,21 N.A.＝0.2 作動距離（W.D.）＝20mm 倍率＝10× ラインセンサ20,22 エレメント数＝2048 エレメント間隔＝14μｍ エレメント幅＝200μｍ クロック周波数＝12MHz（最大） 白色光源11 50Wハロゲンランプ ハーフミラー12,18 反射率および透過率＝50:50 上記〜以外に注意することは、検出光路中の適当
な位置に絞りを設けて、鏡筒内面での反射光がフレアと
なり、これが結像光束にかぶってコントラストが低下す
ることがないようにしなければならない。

最後に、上記実施例における特徴を纒めて示す。

（１）通常のレンズを用いて、白色光による２重焦点検
出を光路中に参照レティクルを用いることにより可能と
した。

（２）焦点面に直交する方向の相対位置の検出精度は、
参照レティクルの変位に全く影響されない。

（３）２重焦点間の距離は参照レティクルの厚みを変え
ることで自由に変更することができる。

（４）２重焦点面の各々において、白色光におけるレー
リーの定義式が独立に成立するため、２重焦点間の距離
とは全く無関係に必要なレンズ解像度を自由に設定する
ことができる。

（５）白色光照明によりウエハープロセス，ギャップ変
動およびＸ線マスクのメンブレムの厚さの変動に全く影
響を受けることがない。

（６）特別な光学部品を一切使用していないため、極め
て安価に装置を構成することができる。

（７）特別な光学技術を全く用いていないため、技術的
な問題点が全くない。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明の参照レティクルを用
いた２重焦点装置は、最小パターン線幅0.5μｍ以降の
次世代LSIの露光に有望視されているＸ軸ステッパーに
おけるＸ軸マスクとウエハーの相対位置を正確に計測す
るアライメント装置に適用され、約30μｍ隔離されて位
置するウエハーとＸ軸マスクとの光軸と直交する方向の
相対位置を、ウエハープロセスに何ら影響されることな
く高い精度（0.01μｍオーダー）で検出することが可能
となる。

アライメント装置からの位置信号は、Ｘ軸マスクやウ
エハーを移動させる超精密ステージのフィードバック信
号としてその駆動装置に送信され、Ｘ軸マスクとウエハ
ーの相対位置が所定位置関係になるように正確に制御す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の参照レティクルを用いた２重焦点装
置の構成を示す光路図、 第２図（Ａ）および第３図（Ａ）はラインセンサ上の結
像パターンを示す線図、第２図（Ｂ）および第３図
（Ｂ）はその波形図、 第４図および第５図は、信号処理を示す波形図、 第６図は、対物レンズとウエハーおよびマスクの位置関
係を示す光路図、 第７図は、焦点深度と開口数の関数を示すグラフ、 第８図ないし第10図は、従来のアライメント装置の側面
図および斜視図、 第11図は、２重焦点レンズの光路図である。 １……Ｘ線マスク ２……ウエハーマーク ３……マスクマーク 11……白色光源 12,18……ハーフミラー 15……ウエハー参照マーク 16……参照レティクル 17……マーク参照マーク 19,21……リレーレンズ 20,22……ラインセンサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光軸方向に微小距離離間した第１の物体と
   第２の物体の光軸に直交する方向の相対位置を検出する
   位置検出装置において、 第１の物体と第２の物体間の微小距離に相当し、対物レ
   ンズの倍率から決定される厚みを有し、両面に第１の物
   体と第２の物体の位置検出に必要とするマークが形成さ
   れている参照レティクルを対物レンズの２つの結像位置
   に設けたことを特徴とする参照レティクルを用いた２重
   焦点装置。
2. 【請求項２】参照レティクルの両面に結像した第１の物
   体と第２の物体の像を、さらに拡大するために参照レテ
   ィクルの両面に焦点が一致するように２つのレンズを光
   路分岐して配置することを特徴とする請求項（１）記載
   の参照レティクルを用いた２重焦点装置。