JP2906585B2

JP2906585B2 - 位置検出方法

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Publication number: JP2906585B2
Application number: JP2143869A
Authority: JP
Inventors: 哲志野瀬; 繁幸須田; 謙治斉藤; 実吉井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1990-06-01
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: JPH0436605A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は位置検出方法に関し、例えば半導体素子製造
用のプロキシミティタイプの露光装置や所謂ステッパー
等において、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検出方法に関するものであ
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（「ア
ライメントマーク」ともいう。）を所謂スクライブライ
ン上に設け、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、例えば米国特許第4037969号や特開
昭56−157033号公報では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。

又、米国特許第4311389号ではマスク面上にその回折
光が所謂シリンドリカルレンズと同調の光学作用を持つ
ようなアライメントパターンを設け、ウエハ面上にはそ
の回折光を更にマスクとウエハが合致したときに所定次
数の回折光の光量が最大となるような点列状のアライメ
ントパターンを設け、双方のアライメントパターンを介
した光束を検出することによってマスクとウエハとの相
対的位置関係の検出を行っている。

この他本出願人は先に特願昭63−226003号においてマ
スクとしての第１物体とウエハとしての第２物体との相
対的な位置ずれ検出を行う際、第１物体及び第２物体面
上に各々２組のレンズ作用を有するアライメントマーク
としての物理光学素子を設け、該物理光学素子にレーザ
を含む投光手段から光束を照射し、該物理光学素子で逐
次回折された回折光をセンサー（検出手段）に、導光し
ている。そしてセンサー面上での２つの光スポットの相
対間隔値を求めることにより第１物体と第２物体の相対
的位置ずれ量を検出している。

このとき投光手段は位置検出をすべく物体面上に設け
た２組の物理光学素子で逐次回折された光を受光する検
出手段と共に１つの筐体内に収納されている。

（発明が解決しようとする問題点）通常アライメントマークを設けるマスク及びウエハ面
上のスクライブラインの幅は50μｍ〜100μｍ程度であ
る。このスクライブライン幅は投影倍率が５倍のステッ
パーではレチクル面上で250μｍ〜500μｍ、Ｘ線の等倍
密着露光（プロキシミティ）装置で50μｍ〜100μｍで
あり、この幅のエリアにアライメントマークがおさまる
ように設けられる。このようにアライメントパターンは
スクライブライン幅以内に設定されている。

このような小さいエリア内に設けたアライメントパタ
ーンにアライメントヘッド（投光手段）からの光束（光
ビーム）を効率良く照射するにはアライメントパターン
のサイズに対応した大きさに光束径を絞る必要がある。
更に光束の照射方法もアライメントパターンに対して正
確な位置に照射する必要がある。

一般にアライメントパターンに光束を不正確に照射す
ると、それだけセンサで検出される光量（信号光）が低
下してくる。アライメントパターンのサイズに対して十
分大きな光束径であるならばアライメントパターンに略
一様な光量分布で照射することができる。

しかしながら光束を効率良く照射し、かつアライメン
トパターンのエリア以外の回路パターンエリアに光束を
照射すると回路パターンから不要な散乱光がノイズとな
ってくるので、これを防止する為にはアライメントパタ
ーンのサイズに対応した、略等しいサイズの光束で照射
する必要がある。

一般にこのように光束径を絞ると光束の光量分布はマ
スク（レチクル）面上のアライメントパターン面上で一
様でなくなってくる。

更にアライメントパターンへの光束の照射位置が大幅
にずれてくるとマスクとウエハのずれがある程度存在す
る場合のアライメントパターンにより得られる回折光の
スポット位置（即ちマスクとウエハのずれ情報）がアラ
イメントパターンへの光束の照射位置がずれていない場
合に比べて異なってくる。即ちアライメントパターンに
照射する光束の照射位置がずれてくるとアライメント検
出に誤差が生じてくる。

従って光ビーム（投光手段）とアライメントマーク
（第１物体又は第２物体）の位置決め精度を向上させ、
最適な光ビーム径とすることでアライメントの高精度化
が可能となる。しかしながら光ビームのアライメントマ
ーク面上への入射位置決め精度を機械系のみで向上させ
ようとすると系の複雑化及び大型化を伴ない長期間の安
定性を図るのが難しいという問題点が生じてくる。

本発明は第１物体又は第２物体に設けたアライメント
マークである物理光学素子に対する投光手段からの光ビ
ームの入射位置決めを簡便な方法で高精度に行なうこと
により、機械精度及び組立て精度等の緩和を図り、その
後の第１物体と第２物体の相対的位置検出を高精度に行
うことができる位置検出方法の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段）請求項１記載の発明の位置検出装置は、相異なる位置
に参照マークと第１アライメントマークが形成された第
１物体と、第２アライメントマークが形成された第２物
体に対して、ピックアップからの光を前記第１、第２ア
ライメントマークに入射させ、前記第１、第２アライメ
ントマークを介した光を前記ピックアップにより検出
し、前記ピックアップからの出力信号に基づいて、前記
第１物体と前記第２物体との相対的位置を検出する位置
検出方法において、前記第１物体上に前記第１アライメ
ントマークと異なる位置に参照マークを形成する段階
と、前記ピックアップからの光を前記参照マークに入射
させ且つ該光で前記参照マークを走査し、前記参照マー
クより発生する回折光の変化を前記ピックアップにより
検出して前記参照マークと前記ピックアップとの相対的
位置を検出する段階と、検出された前記参照マークと前
記ピックアップとの相対的位置に基づいて前記ピックア
ップを移動させることにより、前記ピックアップと前記
第１アライメントマークを位置合せする段階とを有する
ことを特徴としている。

（実施例）第１図は本発明の一実施例の要部斜視図、第２図，第
３図は第１図の一部分の拡大説明図、第４図，第５図は
本発明に係る位置ずれ検出と面間隔検出の原理説明図で
ある。

図中、１は光源であり、半導体レーザ、He−Neレー
ザ、Arレーザ等のコヒーレント光束を放射する光源、又
は発光ダイオード等の非コヒーレント光束を放射する光
源又はXray光源等から成っている。２はコリメーターレ
ンズであり、光源１からの光束を平行光束としてレンズ
系５に入射させている。レンズ系５は入射光束を所望の
ビーム径にした後、ミラー６で反射させて耐Xray窓７
（光源としてXrayを用いたとき）を通過させて第１物体
としてのマスク18面上の位置ずれ検出用のAAアライメン
トマーク（以下「AAマーク」という。）20M、又は面間
隔検出用のAFアライメントマーク（以下「AFマーク」と
いう。）21Mに入射させている。光源１、コリメータレ
ンズ２、レンズ系５は投光手段を構成している。100は
参照マークであり、後述するように投光手段と第１物体
18との相対的位置関係を検出する為のものである。

AAマーク20MとAFマーク21Mそして参照マーク100はマ
スク18の周辺部のスクライブライン上の４カ所に設けら
れている。19は第２物体としてのウエハであり、マスク
18と近接（間隔10μｍ〜100μｍ）配置されており、そ
の面上にはマスク18と位置わせすべきAAマーク20Wがス
クライブライン上に設けられている。AAマーク20M,20W
とAFマーク21Mそして参照マーク100は１次元又は２次元
のゾーンプレート等の物理光学素子より成っている。

ここでAAマーク20M又は／及びAFマーク21Mは第１アラ
イメントマークの一要素を構成し、AAマーク20Wは第２
アライメントマークの一要素を構成している。

10は受光レンズであり、マスク18面上のAAマーク20M
及びAFマーク21Mを通過してきた所定次数の回折光16を
受光手段11面上に集光している。受光手段11は位置ずれ
検出用のAAラインセンサー12と面間隔検出用のAFライン
センサー13の２つのラインセンサーを同一基板上に設け
て構成されている。

尚、同図では該AAラインセンサー12とAFラインセンサ
ー13の一方で参照マーク100からの回折光を検出してい
る。

14はアライメントヘッド（ピックアップ）であり、駆
動手段（不図示）によって駆動可能となるように構成さ
れている。

第２図はマスク18とウエハ19面上に設けたAAマーク20
M,20WとAFマーク21Mの説明図である。

第３図はマスク18とウエハ19面上の各マークを介した
光束の光路を示している。AAマーク20Mは２つのAAマー
ク20M1,20M2、AAマーク20Wは２つのAAマーク20W1,20W
2、AFマーク21Mは入射用の２つのAFマーク21M1,21M3と
射出用の２つのAFマーク21M2,21M4より成っている。

尚、ウエハ19面上にはAFマークは設けられておらず、
ウエハ19面上で０次反射（正反射）した光を用いてい
る。

AAマーク20M1と20W1が１つの組に、AAマーク20M2と20
W2が１つの組になっており、各々のAAマーク20M1,20M2
に入射した２つの光束15の各マークによる２つの回折光
（以下「AA回折光」という。）26−1,26−２は位置ずれ
に対応してAAラインセンサー12面上を移動するように設
定されている。

又、AFマーク21M1と21M3に入射した光束15のウエハ19
面で反射しAFマーク21M2,21M4より射出した２つの回折
光（以下「AF回折光」という。）27−1,27−２は面間隔
に対応してAFラインセンサー13面上を移動するように設
定されている。

尚、第３図において各入射光15は光源１から放射され
た共通の１つのビームの中の光線を用いている。

本発明の位置検出方法はマスクとウエハとのアライメ
ントを投光手段とマスク18との相対的位置関係を検出
し、双方の位置関係を駆動手段で調整した後に行うこと
を特長とするものであるが、その前に本発明に係る位置
ずれ検出方法と面間隔検出方法の原理について説明す
る。

まず本発明においてマスク18とウエハ19との相対的な
面内の位置検出方法について第４図を用いて説明する。

第４図は第３図において位置検出方向（アライメント
方向）に垂直で、かつマスク18とウエハ19の面法線に垂
直な方向から見たときの状態を光路を展開して示してい
る。

同図において第１〜第３図で示した要素と同一要素に
は同符番を付している。又、ウエハ19面上のAAマークで
は入射光束は反射回折されるが同図では等価な透過回折
した状態で示している。

20M1はマスク18に、20W1はウエハ19に設けたAAマーク
であり、単一マークを形成しており、第１信号を得る為
のものである。20M2はマスク18に、20W2はウエハ19に設
けたAAマークであり、単一マークを形成しており、第２
信号を得る為のものである。26−1,26−２は第1,第２信
号用のAA回折光、32は１次ピント面であり、受光レンズ
10に関して受光手段11と共役関係にある。

今、ウエハ19から１次ピント面32までの距離をＬ、マ
スク18とウエハ19との間隔をｇ、AAマーク20M1と20M2の
焦点距離を各々f_a1,f_a2、マスク18とウエハ19の相対位
置ずれ量をΔσとし、このときのAA回折光26−1,26−２
の光束重心の合致状態からの変位量を各々S₁,S₂とす
る。

尚、マスク18に入射する光束15は便宜上平面波とし、
符号は図中に示す通りとする。AA回折光26−1,26−２の
光束重心の変位量S₁及びS₂はAAマーク20M1,20M2の焦点F
₁,F₂とAAマーク20W1,20W2の光軸中心を結ぶ直線と１次
ピント面32との交点として幾何学的に求められる。従っ
てマスク18とウエハ19の相対位置ずれに対して各AA回折
光26−1,26−２の光束重心の変位量S₁,S₂が互いに逆方
向となるようにするにはAAマーク20W1,20W2の光学的な
結像倍率の符号を互いに逆とすることで達成することが
できる。

又、定量的にはと表わせ、ずれ倍率はβ_１＝S₁/Δσ、β_２＝S₂/Δσと
定義できる。従って、ずれ倍率を逆符合とするにはを満たせば良い。この内、実用的に適切な構成条件の１
つとしてＬ≫|f_a1| f_a1/f_a2＜０ |f_a1|＞ｇ |f_a2|＞ｇの条件がある。即ち、AAマーク20M1,20M2、焦点距離
f_a1,f_a2に対して１次ピント面32までの距離Ｌを大き
く、且つマスク18とウエハ19の間隔ｇを小さくし、更に
AAマークの一方を凸レンズ、他方を凹レンズとする構成
である。

第４図の上側にはAAマーク20M1で入射光束を集光光束
とし、その集光点F₁に至る前にAAマーク20W1を光束を照
射し、これを更に１次ピント面32に結像させているAAマ
ーク20W1の焦点距離f_b1はレンズの式を満たすように定められる。同様により第４図の下側に
おいてはAAマーク20M2により入射光束を入射側の点であ
るF₂より発散する光束に変え、これをAAマーク20W2を介
して１次ピント面32に結像されている。このときのAAマ
ーク20W2の焦点距離f_b2はを満たすように定められる。以上の構成条件でAAマーク
20M1の集光像に対するAAマーク20W1の結像倍率は図より
明らかに正の倍率である。ウエハ19のずれ量Δσと１次
ピント面32の光点変位量S₁の方向は逆となり、先に定義
したずれ倍率β_１は負となる。同様にAAマーク20M2の点
像（虚像）に対するAAマーク20W2の結像倍率は負であ
り、ウエハ19のずれ量Δσと１次ピント面32上の光点変
位量S₂の方向は同方向で、ずれ倍率β_２は正となる。

従ってマスク18とウエハ19の相対位置ずれ量Δσに対
してAAマーク20M1,20W1の系とAAマーク20M2,20W2の系の
AA回折光26−1.26−２のずれ量S₁,S₂は互いに逆方向と
なる。即ちAAマーク20M1,20W1のパターンの回折によっ
て形成される１次ピント面32上のスポット30とAAマーク
20M2,20W2のパターンの回折によって形成される１次ピ
ント面32上のスポット31との距離がマスク18とウエハ19
の位置ずれ量に応じて変わり、この２つのスポット30,3
1の距離を受光レンズ10により受光手段11のAAラインセ
ンサー12面上に投影している。そしてAAラインセンサー
12で２つのスポット30,31のスポット間隔を検出するこ
とによりマスク18とウエハ19の相対的な位置ずれを検出
している。

第６図はこのときのセンサー12面上に形成される２つ
のスポット30,31の模式図である。

本実施例ではウエハ19がマスク18に対して傾斜（Til
t）していても２つのスポット30,31は１次ピント面32上
を共に同一方向に同一量移動する為、スポット間隔は不
変であり、この結果位置検出誤差は発生しないという特
長を有している。

以上が本発明に係る位置検出手段の構成である。

次に本発明においてマスク18とウエハ19との面間隔検
出方法について第５図を用いて説明する。

同図において第１〜第３図で示した要素と同一要素に
は同符番を付している。

本実施例では入射光15をマスク18面上の２つのAFマー
ク21M1（21M3）に入射させている。AFマーク21M1（21M
3）に入射した光は該マークで回折されて例えば１次回
折光はマスク18と間隔g₁（g₂）離れたウエハ19面上で正
反射し、マスク18面上のAFマーク21M2（21M4）に入射す
る。AFマーク21M2（21M4）は回折光がレンズと同じ集束
作用を持つようなパターンから成っている。そしてウエ
ハ19で反射した光がAFマーク21M2（21M4）へ入射する
際、その入射位置（グレーティングエリアの瞳位置）に
応じて出射回折光の出射角が変わるような光学作用を有
している。

例えばマスク18とウエハ19との面間隔がg₂のときAFマ
ークで回折されたAF回折光は実線で示す光路を進み受光
レンズ10を通ってAFラインセンサー13面上に２つのスポ
ット51,52を形成する。又面間隔がg₁のとき同様にAFマ
ークで回折されたAF回折光は点線で示す光路を進みAFラ
インセンサー13面上に２つのスポット53,54を形成す
る。

第６図はこのときのセンサー13面上に形成される２つ
のスポット51,52の模式図である。

このようにマスク18とウエハ19の面間隔に応じてAFラ
インセンサー13面上に生じる２つのスポットの間隔が変
わるので、このときの２つのスポットの間隔を測定する
ことによりマスク18とウエハ19との面間隔を検出してい
る。

次に本実施例の特長である投光手段（アライメントヘ
ッド14）と第１物体１との相対的な位置検出を行う方法
について第７〜第10図を用いて説明する。

本実施例では第８図（Ａ）に示すように露光転写すべ
きパターン領域81の周辺のスクライブライン82内の４カ
所に各々設けたアライメントマーク83（AAマーク,AFマ
ーク）の近傍に各々参照マーク100を設けている。

参照マーク100は第８図（Ｂ）に示すようにマーク100
a,100bの２つの直線回折格子より成っている。一般に第
７図に示すように反射型の回折格子71に光72を入射させ
ると入射光72は反射回折される。このとき回折格子71の
格子ピッチをＰ、入射角72の波長をλ、入射角（回折格
子71の法線とのなす角度）をθ_ｉ、ｎ次の反射回折光の
回折格子71の法線とのなす角（射出角）をθ_ｎとすると Psinθ_ｉ−Psinθ_ｎ＝ｎλ （ｎ＝0,±1,±2,…） ……（a1）となる。これより射出角θ_ｎはで与えられる。

例えばλ＝0.780μｍ、θ_ｉ＝17度、Ｐ＝３μｍとす
ると θ_０＝θ_ｉ＝17度、θ_１＝1.855度 θ_２＝−13.1575度となる。ここに射出角θ_２の符合がマイナスなのは第７
図に示すように反射回折光が回折格子71の法線に関して
入射側に法線と13.1575度の角度で回折されてくること
を意味している。

本発明はこのような回折格子71の回折現象を利用して
いる。即ち第８図（Ｂ）に示すように参照マーク100を
設け、該参照マーク100の各マーク100a,100bにアライメ
ント用の光束72a,72bを第９図の矢印72a,72bに示す方向
に走査しながら入射させる。そしてこのときの反射回折
光を第１図に示したアライメント系を通してセンサー11
又はセンサー11の近傍に特別に設けた例えば第13図に示
すセンサー131に導光し、光束72a,72bの走査に応じて得
られる該センサーからの出力信号（強度信号）の最大値
を検出し、これより入射光束72とマーク100a,100bとの
合致状態を判断している。これにより投光手段と第１物
体（マスク）との相対的位置関係を検出している。

本実施例では投光手段（アライメントヘッド）は駆動
手段で移動可能となっており、参照マーク100に各々異
なった位置及び異なった方向から光束を入射することが
できるように構成されている。

そこで前述の如く求めた投光手段とマスクとの相対的
位置関係を利用してマスクとウエハとをアライメントを
する為のアライメントマーク83への投光手段からの光束
の入射位置及び入射方向を調整している。

即ち、本実施例においては光束72は通常アライメント
パターンの寸法に対応させて設定されており、この光束
72をx,y面内（マスク面内）で移動させると、第10図に
示すようにｘ方向とｙ方向において各々回折格子より成
るマーク100a,100bで回折された光はセンサーにより検
出される。

このとき光束位置が正確にマーク100a又は100bの中心
に入射したときにセンサーからの出力信号は最大とな
る。

今、センサーからの出力信号が最大になるｘ方向とｙ
方向の光束位置を各々x_P,y_Pとする。マスク面上のアラ
イメントパターン83の位置と参照マーク100との相対的
位置関係はマスクパターン設計値より予め求められてい
るのでx_p,y_pの値を基に光源からの光束、即ち投光手段
を高精度にアライメントパターン83に設定することがで
きる。

次に具体的な数値例を示す。スクライブライン82上の
アライメントパターンサイズが50μｍ×200μｍ、光束7
2のサイズが120μｍ×400μｍ、入射角θ_ｉ＝17度、参
照マーク100は直線回折格子であり、その格子ピッチＰ
＝３μｍ、２次回折光（マスク法線から13.16度の角度
を成して回折してくる。）をセンサーで検出する場合、
第９図に示すマーク100a,100bの寸法をW_x＝W_y＝30μｍ
としたとき、光束位置検出精度は１μｍとなった。

従ってこのときアライメントパターン83への光束の入
射位置は１μｍ程度の精度で設定可能となる。

尚、本実施例では参照マーク100として直線回折格子
を用いた場合を示したが、これに限定されるものではな
く、例えば第11図に示すように参照マーク101を曲線状
の回折格子より成るマーク101a,101bより構成しても良
い。

第12図は第11図の参照マーク101をyz断面内で示した
ものである。同図において72は入射光束、121は０次反
射回折光、122は１次反射回折光である。回折格子を本
実施例のように曲線格子より構成すると回折光にレンズ
と同じく屈折力を与えることができ、回折光のスポット
サイズを直線格子の回折光よりも小さくすることが可能
であり、これにより検出精度をより高めることができ
る。

尚、本発明において参照マークを第２物体に設け、投
光手段と第２物体との位置関係を検出するようにしても
良い。又本発明の位置検出方法はＸ線を用いた所謂ステ
ッパーにも同様に適用することができる。

（発明の効果）本発明によれば第１物体面上に前述したような参照マ
ークを設け、該参照マークに投光手段から光束を走査し
ながら入射させ、該参照マークから生じる所定次数の回
折光を利用することにより、投光手段と第１物体との位
置関係を適切に設定することができる為、後で行う第１
物体と第２物体との相対的な位置検出を高精度に行うこ
とができる位置検出方法を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部斜視図、第2,第３図は
第１図の一部分の拡大説明図、第4,第５図は本発明にお
ける位置ずれ検出と面間隔検出の原理説明図、第６図は
第１図のセンサー11面上の模式図、第７図は従来の回折
格子の説明図、第８図（Ａ），（Ｂ）はマスク面上のア
ライメントマークと参照マークの説明図、第９図は参照
マークと光束との関係を示す説明図、第10図は第１図に
おけるせンサーからの出力信号の説明図、第11図，第12
図は本発明に係る参照マークの他の実施例をそれを用い
たときの光束の収束状態を示す説明図、第13図は第１図
の一部を変更したときの一実施例の要部斜視図である。図中、１は光源、２はコリメーターレンズ、５はレンズ
系、６はミラー、10は受光レンズ、11はセンサー、12は
AAラインセンサー、13はAFラインセンサー、18はマスク
（第１物体）、19はウエハ（第２物体）、20M,20W,21M
は各々アライメントマーク、100,101は参照マークであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉井実東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開平２−266224（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】相異なる位置に参照マークと第１アライメ
ントマークが形成された第１物体と、第２アライメント
マークが形成された第２物体に対して、ピックアップか
らの光を前記第１、第２アライメントマークに入射さ
せ、前記第１、第２アライメントマークを介した光を前
記ピックアップにより検出し、前記ピックアップからの
出力信号に基づいて、前記第１物体と前記第２物体との
相対的位置を検出する位置検出方法において、前記第１
物体上に前記第１アライメントマークと異なる位置に参
照マークを形成する段階と、前記ピックアップからの光
を前記参照マークに入射させ且つ該光で前記参照マーク
を走査し、前記参照マークより発生する回折光の変化を
前記ピックアップにより検出して前記参照マークと前記
ピックアップとの相対的位置を検出する段階と、検出さ
れた前記参照マークと前記ピックアップとの相対的位置
に基づいて前記ピックアップを移動させることにより、
前記ピックアップと前記第１アライメントマークを位置
合せする段階とを有することを特徴とする位置検出方
法。