JP2881062B2 - 基板の位置合わせ方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体露光装置におい
て、パルス光を照明光としてウエハ等基板の位置合わせ
を行う基板の位置合わせ方法およびその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの焼付け装置の分野では、
回路パターンの微細化、ウエハの大型化等により、昨今
はステップアンドリピート方式の投影露光装置（以下、
「ステッパ」と呼ぶ）が主流になってきている。そし
て、このステッパに代表される露光装置におけるレチク
ルとウエハ等の基板の位置合わせ（以下、「アライメン
ト」という）については、さまざまな方式が案出され実
施されている。

【０００３】従来においては、ＴＴＬ方式の場合、レチ
クル上からアライメント用照明光源（例えばレーザー
光）を照射し、レチクルマークとウエハマークからの反
射光を光電検出部で検出し、この検出信号、例えば映像
信号からマークパターンの中心を求めることによりウエ
ハとレチクルの相対位置ずれを検出していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の方法によれば、アライメント用照明光がパルスレー
ザー等のパルス光である場合には、前述の映像信号にス
ペックルが生じてしまい正確な計測が不可能となる。以
下、その詳細を述べる。

【０００５】前述のＴＴＬ方式においては、一般に露光
光源と同一光源よりアライメント用照明光を得ている。
エキシマレーザーを露光光源として用いたエキシマレー
ザーステッパにおいて、このＴＴＬ方式のアライメント
でアライメント用照明光をエキシマレーザー照明系より
得た場合について述べる。

【０００６】レーザー光は空間的コヒーレンスが高くこ
のままウエハ等に照射したのではスペックルや干渉縞が
発生してしまう。このために、ビームを振動させたり回
転拡散板によりスペックル・干渉縞の位相をパルス毎に
変化させ、このパルスを複数回照射することにより積算
効果によってスペックル・干渉縞の影響をなくしてい
る。ウエハ露光の場合、干渉縞、スペックルを取り除く
ために数十〜数百パルスが必要となる。

【０００７】ところが、アライメントの場合は、反射光
の光電検出部の検出タイミング及び取り込み時間が問題
となってくる。例えば上記光電検出部にＮＴＳＣ準拠の
ＣＣＤカメラを用いた場合を考えると、一画面での露光
（蓄積）時間は、フィールド蓄積の場合、１／６０秒、
フレーム蓄積の場合１／３０秒である。今、エキシマレ
ーザーのパルスレートを２００Ｈｚとすると、この蓄積
時間中に照射されるパルス数はフィールド蓄積の場合で
約３パルス、フレーム蓄積の場合６〜７パルスとなり、
これでは干渉縞・スペックルを十分に取り除くことが出
来ない。これに加えて、前述のＣＣＤカメラは紫外線感
度が低い上に、ウエハからの反射光がレジストによって
は大きく吸収されてしまうため、反射光であるアライメ
ント光の受光側の受光する光量の過不足が問題となる。

【０００８】図５は、ＮＴＳＣ準拠フレーム蓄積ＣＣＤ
カメラを用いた場合の従来の検出のタイムチャートを示
したものである。ＳＴは計測スタート信号で、計測用画
像の取り込みは次のＶＤ信号より開始される。ＶＤは垂
直同期信号、ＬＳはレーザー出力パルスで各フィールド
内において均一な光量となるように照射される。ＩＭは
ＣＣＤカメラからコントロールユニットを通して出力さ
れる映像信号を取り込んだメモリの内容を示したもので
ある。この図でもわかるように従来の方法では１枚の画
像を得るのに数パルス（本タイムチャートでは６パル
ス）のレーザー出力パルスで照明されるに過ぎず、これ
ではレーザー光の持つ高空間コヒーレンシーのために生
じるスペックル、干渉縞のない画像を得ることが出来な
い。

【０００９】本発明は上記従来の技術の有する問題点に
鑑みてなされたものであり、パルス光を照明光とする基
板の位置合わせにおいて、位置合わせ用映像信号を発生
する撮像手段を、１／３０秒以上の露光時間で動作させ
る長時間露光を採用することによって、前記映像信号に
スペックルを生じることなく、加えて撮像手段が受光す
る光量を調整することで鮮明な位置合わせ用映像信号を
得て、基板の位置ずれを高精度で検出し、高精度の位置
合わせを行なうことのできる基板の位置合わせ方法およ
びその装置を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の基板の位置合わせ方法は、パルス光によ
って照射された基板の位置合わせマークからの反射光を
受光する撮像手段の映像信号によって前記基板の位置ず
れを検出する工程と、検出された前記位置ずれに基づい
て前記基板を移動させる工程とからなり、前記撮像手段
の露光時間が、前記映像信号のスペックルを解消するの
に必要な長さ以上に設定されている基板の位置合わせ方
法であって、前記撮像手段が前記露光時間において受光
する光量が所定の値に達しない場合は、前記露光時間を
より長く設定し、逆に、前記光量が所定の値を越える場
合は、前記パルス光の光源の発光量を減少させることを
特徴とする。

【００１１】また、本発明の基板の位置合わせ装置は、
基板の位置合わせマークを照射するパルス光を発生させ
る光源をもつ照明手段と、前記位置合わせマークからの
反射光を受光して映像信号を発生させる撮像手段と、前
記映像信号に基づいて前記基板の位置ずれを検出する信
号処理回路と、前記信号処理回路の出力に応じて前記基
板を移動させる駆動手段と、前記撮像手段が受光する光
量をモニターする光量検出器と、前記光量検出器の出力
に基づいて、前記光源の発光量を調節する調光機構とか
らなり、前記撮像手段の露光時間が、前記映像信号のス
ペックルを解消するのに必要な長さ以上に設定されてい
ることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の方法によれば、撮像手段の露光時間を
位置合わせマークからの反射光による映像信号にスペッ
クルが発生するのを防ぐのに充分なパルス数の反射光を
受光するために必要な長さ以上に設定することで、上記
スペックルの発生を防ぐとともに、上記撮像手段が受光
する光量が不足して、鮮明な映像信号を得られない場合
は、上記露光時間をさらに延長することによって必要な
光量を確保し、逆に上記撮像手段が受光する光量が過多
である場合は、前記パルス光の光源の発光量を減少させ
ることで、鮮明な映像信号を得る。

【００１３】反射光の光量をモニターする光量検出器、
および該光量検出器の出力に基づいて前記パルス光の光
源の発光量を制御する調光機構を設ければ、撮像手段の
露光時間の調整および前記光源の発光量の調節が容易で
ある。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

【００１５】図１は一実施例を示すブロック図であっ
て、パルスレーザーを光源とする照明手段である照明系
１から照射される照明光は、レチクル２、投影レンズ系
３を経てウエハステージ４上の基板であるウエハ５を露
光する。この照明系１は、照明光の波面を時間的に変化
させてスペックルを抑制する機能を備えている。ウエハ
ステージ４は、駆動手段であるステージ駆動系６によっ
て、紙面に垂直な平面内において互に直交する２軸（Ｘ
軸およびＹ軸）のそれぞれに沿った方向に往復移動さ
れ、かつ前記平面に垂直に交わる１軸（Ｚ軸）の回りに
回転される。レチクル２を保持するレチクルステージ２
ａもステージ駆動系６によってＸ軸およびＹ軸のそれぞ
れに沿った方向に往復移動自在であり、かつＺ軸の回り
に回転自在である。すなわちステージ駆動系６は、後述
する主制御装置によって、レチクルステージ２ａおよび
ウエハステージ４の相対位置を調節する。

【００１６】レチクル２およびウエハ３のそれぞれに設
けられた位置合わせマークであるアライメントマークの
位置関係を検出するアライメント検出系７は、照明系１
による照明光の一部をアライメント用照明光として用い
るもので、ミラー８の反射光から、レチクル２のアライ
メントマークおよびウエハ５のアライメントマークを撮
像手段であるＣＣＤカメラ９によって検出する。なお実
際の縮小投影露光装置においては、上記アライメント検
出系７と同様の検出系が、投影レンズ系３の光軸に対し
て対称位置に設けられるが図１においては省略した。

【００１７】アライメント検出系７内のＣＣＤカメラ９
からの映像信号はコントロールユニット１０を介して信
号処理回路１１に入力する。信号処理回路１１は、この
映像信号に基づいてウエハ５のアライメントマークとレ
チクル２のアライメントマークの重合わされた像のＣＣ
Ｄカメラ９の受光面上での結像状態を検出し、その結像
状態に応じたウエハ５とレチクル２のずれ量を表す信号
を主制御装置１２に出力する。主制御装置１２の出力信
号によってステージ駆動系６が制御され、レチクルステ
ーシ２ａおよびウエハステージ４を相対移動させて、レ
チクル２とウエハ５の位置合わせを行なう。同期信号発
生器１３は検出系の同期信号及びレーザーへの同期信号
を発生し、コントロールユニット１０、信号処理回路１
１、主制御装置１２、レーザーコントローラ１４および
ステージ駆動系６へその同期信号を与える。なお、同期
信号発生器１３は信号処理回路１１または主制御装置１
２に含ませても構わない。

【００１８】照明系１は、アライメント用の調光機構１
５を備えており、調光機構１５を駆動する駆動回路１６
は、主制御装置１２からの制御信号により調光機構１５
を駆動する。

【００１９】光量検出器１７はＣＣＤカメラ９に入射す
る光量を検出するもので、主制御装置１２は光量検出器
１７からの信号により検出系に適当な光量になる様にレ
ーザーコントローラー１４もしくは調光機構１５の制御
を行なう。なお、本実施例では光量検出器１７はアライ
メント検出系７内にあるが、照明系１内に置いても構わ
ない。

【００２０】図２は、本実施例のタイムチャートで、Ｃ
ＣＤカメラ９を１／３０秒以上の露光時間で動作させる
長時間露光モードで動作させたものである。計測スター
ト信号ＳＴの次のＶＤ信号よりレーザーパルス出力及び
映像信号である画像の蓄積が開始され、適当な光量・パ
ルス数になればレーザー出力ストップ信号ＳＰでレーザ
ーパルス出力及び画像の蓄積を終了し、これにより得ら
れた画像は次のＶＤ信号で計測用画像メモリＩＭに取り
込まれる。これによりレーザー出力パルス数十〜数百パ
ルスで照明されたスペックル、干渉縞のない画像を得る
ことが出来る。

【００２１】次に、パルス数の制御について述べる。計
測第一ショットにおけるシーケンスフローの例を図３に
示す。通常、ウエハ露光系ではあらかじめスペックル除
去に必要なパルス数をパラメータとして持っているが、
計測系でもこれと同様にスペックル除去に必要なパルス
数をパラメータとしてあらかじめ持っておく。

【００２２】このパルス数はウエハ露光系と同じでも、
また、ウエハ露光系のパルス数を元に算出したものでも
構わない。さらに、あらかじめ装置上でアライメント時
スペックル除去に必要なパルス数を求めておきこれを入
力しても構わない。

【００２３】第一ステップＳ１では、計測スタート信号
によりレーザーパルス出力、画像蓄積を開始する。この
時同時に光量を光量検出器１７による光量のモニターも
開始する。スペックル除去に必要なパルス数になる以前
でモニター所定の光量をオーバーした場合は（第二ステ
ップＳ２）、調光機構１５でレーザーのパワーをスペッ
クル除去に必要なパルス数以上で光量が計測に適したも
のとなるように調整し、蓄積画像を吐き出した後もう一
度第一ステップから繰り返す。スペックル除去に必要な
パルス数になっても所定の光量に達していなければ、そ
のまま所定の光量になるまで露光を続ける（第三ステッ
プＳ３）。その後、レーザーパルス出力を停止し、得ら
れたた画像をメモリに取り込んで（第四ステップＳ４）
計測を行なう。計測第２ショット以降では計測第１ショ
ットで得られたレーザーパルス数、レーザーパワーによ
り調光・計測を行ない、高スループット化をはかる。

【００２４】なお、上述の実施例においては、スペック
ル除去に必要なパルス数で計測に適した光量を求めるた
めに、光量検出器１７を用いてアライメント照明光の光
量をモニターしているが、光量検出器１７による光量の
モニターは必ずしも必要ではない。

【００２５】このように、光量検出器１７がない場合の
シーケンスフローの例を図４に示す。第一ステップＳ１
１までは図３と同じであるが、レーザー出力中のＣＣＤ
カメラ９への光量をモニタできないので、第二ステップ
Ｓ１２で規定のパルス数に達したらレーザーパルス出力
を停止し画像を取り込む。この場合の規定のパルス数は
必ずスペックル除去に必要なパルス数以上のものであ
り、あらかじめパラメータとして持っておくものとす
る。得られた画像の光量が問題なければこの画像を使っ
て計測を行なう。光量が不足していれば、パルス数を増
やしてもう一度第一ステップＳ１１から行なう。この時
増やすパルス数は始めに得られた画像の光量より不足分
を計算して決定する。また、光量が多過ぎた場合（例え
ば、得られた画像が飽和していた場合）は調光機構１５
によりレーザーパワーを調整しＣＣＤカメラ１５に入射
する光量を減らしてもう一度第一ステップＳ１１から行
なう。第２計測ショット以降では第１計測ショットで得
られたレーザーパルス数、レーザーパワーにより調光・
計測を行ない、高スループット化を測る。

【００２６】さらに、ウエハ計測時に計測光によるレジ
ストのブリーチングが問題になる場合は、ブリーチング
の影響が計測に出なくなるまでレーザーパルスを照射し
ておき、その後に上記の計測を行なう。

【００２７】また、上記の第一計測ショットは必ずしも
計測ショットである必要はなく、例えば、グローバルア
ライメントにおける計測ショット以外のショットのアラ
イメントマークを用いて行なっても良い。この場合上記
の第二計測ショットが実際のアライメントの第一計測シ
ョットとなる。

【００２８】以上は、ウエハ上のアライメントマークの
計測を行なう場合であるが、ステージ基準マーク４ａ上
のアライメントマークの計測を行なう場合も同様に行な
うことが出来る。さらにステージ基準マークの画像は安
定して同じ画像が得られるという点を利用して、得られ
た画像の照度ムラ、またはパワースペクトルの空間周波
数領域における分布を見てスペックルの有無を調べ、パ
ルス数を変えながらこれを繰り返すことによってスペッ
クル除去に必要なパルス数を調べることが出来る。

【００２９】上記の実施例では光量検出器１７はアライ
メント検出系７内に設けたものとしたが、前述のように
露光系に設けても良い。この場合、露光系での光量検出
部の光量とＣＣＤカメラ９に達する光量の比をあらかじ
め測定しておき、この比率を考慮して光量の決定を行な
う。

【００３０】なお、本実施例では撮像素子をＮＴＳＣ準
拠のＣＣＤカメラとしたが、ＰＡＬ等の他の規格のカメ
ラでも良く、さらにこれらの規格準拠のカメラではなく
独自のタイミングで動作するカメラでも構わない。ま
た、一次元ラインセンサ等の走査型位置検出素子でも良
い。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

【００３２】スペックルのない鮮明な映像信号によっ
て、基板の位置ずれを高精度で検出し、前記基板の位置
合わせを高精度で行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するブロック図である。

【図２】本実施例のタイムチャートである。

【図３】露光時間および光量を設定するための計測シー
ケンスフローの一例を示す図である。

【図４】計測シーケンスフローの他の例を示す図であ
る。

【図５】従来例のタイムチャートである。

【符号の説明】

１ 照明系 ２ レチクル ３ 投影レンズ系 ４ ウエハステージ ５ ウエハ ６ ステージ駆動系 ７ アライメント検出系 ８ ミラー ９ ＣＣＤカメラ １１ 信号処理回路 １５ 調光機構 １７ 光量検出器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス光によって照射された基板の位置
   合わせマークからの反射光を受光する撮像手段の映像信
   号によって前記基板の位置ずれを検出する工程と、検出
   された前記位置ずれに基づいて前記基板を移動させる工
   程とからなり、前記撮像手段の露光時間が、前記映像信
   号のスペックルを解消するのに必要な長さ以上に設定さ
   れている基板の位置合わせ方法であって、前記撮像手段
   が前記露光時間において受光する光量が所定の値に達し
   ない場合は、前記露光時間をより長く設定し、逆に、前
   記光量が所定の値を越える場合は、前記パルス光の光源
   の発光量を減少させることを特徴とする基板の位置合わ
   せ方法。
2. 【請求項２】 基板の位置合わせマークを照射するパル
   ス光を発生させる光源をもつ照明手段と、前記位置合わ
   せマークからの反射光を受光して映像信号を発生させる
   撮像手段と、前記映像信号に基づいて前記基板の位置ず
   れを検出する信号処理回路と、前記信号処理回路の出力
   に応じて前記基板を移動させる駆動手段と、前記撮像手
   段が受光する光量をモニターする光量検出器と、前記光
   量検出器の出力に基づいて、前記光源の発光量を調節す
   る調光機構とからなり、前記撮像手段の露光時間が、前
   記映像信号のスペックルを解消するのに必要な長さ以上
   に設定されていることを特徴とする基板の位置合わせ装
   置。