JP3040845B2 - アライメントマーク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特に半導体製造装置
のグローバルアライメントにおいて、ウエハの位置合わ
せに用いるに好適なアライメントマークに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造工程として、ウエ
ハ上の区切られた領域の各々にマスクまたはレチクル上
のパターンを順次転写する工程がある。この転写工程に
おいては、既に前工程で転写形成されたパターン上にさ
らに別のパターンを転写するため、該転写工程に先立っ
て前工程で形成したパターンと転写すべきパターンとを
正確に位置合わせする必要があり、そのためにはウエハ
自体を高精度に位置合わせするグローバルアライメント
が必要となる。このグローバルアライメントにおいて
は、位置合わせの精度がサブミクロンオーダ（０．２μ
ｍ程度）で行われる場合もあるため、一般には分解能を
上げるためにアライメント光学系として高倍率のもの、
例えば視野の一辺が１００μｍ以下の正方形の狭視野と
なるものが用いられている。しかし、ウエハの機械的プ
リアライメントの精度は、数百μｍ程度の誤差に達する
場合もあり、アライメント光学系の視野の中にウエハ上
のアライメントマークの中心部が必ずしも入るとは限ら
ない。このため、アライメントマークの中心部を探索す
る必要性が生じ、スループットや歩留りの向上の点か
ら、視野の中にアライメントマークの中心部を迅速かつ
正確に入れるための種々の対策が講じられている。

【０００３】本願人も、上記のグローバルアライメント
を迅速かつ正確に行い得るようにするため、特開平２−
１１２２２３号公報において図６ＡおよびＢに示すよう
なアライメントマーク３１を提案している。なお、図６
Ａはアライメントマーク３１の全体図であり、図６Ｂは
その位置合わせマーク３２の線パターンの幅と線パター
ンの間隔とを一軸について中心から端まで示した部分詳
細図である。このアライメントマーク３１は、位置合わ
せ中心を原点として紙面左右方向をＸ軸方向、上下方向
をＹ軸方向とすると、各軸を基準として複数の位置合わ
せマーク３２が線対称、すなわち線パターン幅は原点に
近いほど狭く、線パターン間隔は原点に近いほど広くな
っており、Ｙ軸に平行な線パターン３２はＸ軸方向の位
置情報を、Ｘ軸に平行な線パターン３２はＹ軸方向の位
置情報をそれぞれ持っている。具体的には、正方形視野
の一辺が７０μｍのアライメント光学系を用いてアライ
メントすることを前提として、一組の線パターン幅と線
パターン間隔とを、その和が３０μｍとなるようにして
いる。すなわち、図６Ｂにおいて一番左端の線間隔が３
０μｍ、次の線と線間隔がそれぞれ４μｍと２６μｍで
和が３０μｍとなっている。また、任意の異なる座標で
異なる情報が得られなければならないため、ある一軸の
位置情報について中心軸から片側について着目すると、
すべての線パターン幅および線パターン間隔が異なって
いる。

【０００４】このアライメントマーク３１を用いれば、
一辺が７０μｍの正方形の視野に二つ以上の線パターン
または線パターン間隔を有する白黒パターンが入ること
になるので、その白黒パターンに基づいて原点から視野
中心までの距離と方向とを求めることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウエハ
上のマークは、半導体集積回路の形成工程により種々の
物質が積層されるため、時にはマークのエッジだけが強
調され、マーク像を微分したような形となって、白黒パ
ターンの区別がつかなくなる。このため、上記のように
白黒パターンに基づいてアライメントを行うようにする
と、迅速かつ正確なアライメントができなくなるという
問題がある。この問題を解決する方法として、位置合わ
せマークのエッジ信号を取り出し、そのエッジ間隔のデ
ータの並びからアライメントマークの位置座標を特定す
ることが考えられる。例えば、一軸（Ｘ軸）方向のマー
ク処理についてみれば、第１表に示すように、予め設計
データに基づいてマークの−Ｘ方向から＋Ｘ方向の要素
番号ｊの順に、マークパターンのエッジ間隔データＳ
〔ｊ〕と、その配列の並びに対応するエッジ間隔の二個
のエッジの−Ｘ方向側のマークエッジ位置から中心軸ま
での距離データＸ〔ｊ〕とを作成しておく。

【０００６】

【０００７】次に、画像より取り込まれたデータのエッ
ジ検出処理を行って、そのエッジ位置のデータから隣合
うエッジ毎の間隔を求め、これを−Ｘ方向より順に測定
配列データＰ〔ｊ〕に代入する。例えば、図６において
視野Ｆ内には４個のエッジがあるので、その隣合うエッ
ジの間隔の実測値を−Ｘ方向より配列Ｐ〔ｊ〕に代入す
る。ここで、 Ｐ〔１〕＝９．５ Ｐ〔２〕＝２４．５ Ｐ〔３〕＝５．８ というような３個のＰ配列データが入力されたとする
と、次にこのＰ配列データの並びがＳ配列データの並び
の中で最も相関があるところを調べる。このようにして
Ｓ配列データを調べれば、その要素番号のＸ配列データ
が中心軸までの距離となる。すなわち、上記の場合に
は、Ｓ配列の Ｓ〔２６〕＝１０ Ｓ〔２７〕＝２４ Ｓ〔２８〕＝６ の３個のデータの並びと最も相関が高いので、その最初
の配列Ｓ〔２６〕の要素番号と同じＸ〔２６〕配列デー
タから、-153μｍがＰ〔１〕データのエッジから視野中
心までの距離となる。このように、視野内の各線パター
ンのエッジ間隔とその並びを、予め決められた位置合わ
せマーク全体の形状に照らし合わせることで、視野中心
から各軸までの距離と方向とを求めることができる。

【０００８】しかし、上記の場合には、位置合わせマー
クに対応したパターン形状と、そのときの中心までの方
向および距離を予め記憶しておかなければならないとい
う問題があると共に、画像劣化による測定データのばら
つきを考慮するために、相互相関を使ったパターンマッ
チング等の複雑な計算が必要となるため位置合わせを高
速に行うことができないという問題がある。

【０００９】この発明は、このような問題点に着目して
なされたもので、マーク形状のデータを記憶することな
く、また複雑な計算を行うことなく、位置合わせを迅速
かつ正確に行うことができるアライメントマークを提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、位置合わせ中心部に位置合わせを行
うために、所定の方向に沿って配列された複数の位置合
わせマークを有するアライメントマークにおいて、前記
複数の位置合わせマークを、その任意の隣接するエッジ
間の距離が前記位置合わせ中心部までの距離の関数とな
るよう構成すると共に、その順次のエッジ間の距離の比
較から前記位置合わせ中心部の方向を識別し得るよう構
成する。

【００１１】

【作用】このように、位置合わせマークを、隣接するエ
ッジ間の距離が位置合わせ中心部までの距離の関数で、
かつ順次のエッジ間の距離の比較から位置合わせ中心部
の方向を識別し得るよう構成すれば、アライメント光学
系の視野内に少なくとも三つの位置合わせマークのエッ
ジパターンが入って二つのエッジ間隔が観測できれば、
その一つのエッジ間隔から位置合わせ中心部までの距離
を求めることができ、また二つのエッジ間隔の比較から
位置合わせ中心部の方向を識別することが可能となるの
で、マーク形状のデータを記憶したり、複雑な計算を行
うことなく、位置合わせを迅速かつ正確に行うことが可
能となる。

【００１２】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例を示すものであ
る。このアライメントマーク１は、位置合わせマーク２
を構成する四角形パターンのＹ軸に平行な辺と辺の間隔
にＸ軸方向の位置情報をもたせ、Ｘ軸に平行な辺と辺の
間隔にＹ軸方向の位置情報をもたせたものである。すな
わち、アライメントマーク１の中心で、かつ位置合わせ
の中心となる原点を直交する中心軸線より離れるに従っ
て、四角形の辺と辺および隣接する四角形間の間隔、つ
まり四角のパターンを無視したそれぞれの辺のエッジ間
隔をそれぞれ一定距離の差をもった等差数列に従って小
さくなるように構成する。具体的には、一辺が約７５μ
ｍの正方形視野のアライメント光学系を用いてアライメ
ントすることを前提として、図１の記号Ａ〜Ｕの間隔
（μｍ）を第２表のように構成する。

【００１３】

【００１４】このように構成すれば、任意の位置のエッ
ジ間隔ｐを測定することにより、等差数列の式からその
エッジが原点から何番目であり、また端からいくつの所
にあるかを容易に求めることができる。この実施例で
は、 Ｘ＝ｐ・（１−ｐ）／２＋２５０〔μｍ〕 を演算することにより、そのエッジ位置から目標中心位
置（原点）までの距離Ｘを求めることができる。しか
も、実測データのエッジ間隔ｐに誤差が生じても、求め
る中心までの距離Ｘに与える影響は極めて小さいので、
中心マーク視野に対する誤差の割合としては問題になら
ない。また、上記のアライメントマーク１を一辺が約７
５μｍの正方形視野のアライメント光学系で観察する
と、視野の中に少なくとも三つのエッジパターンが入
り、したがって少なくとも二つの間隔データが得られる
ので、その隣接する間隔データを比較することにより中
心軸方向を知ることができる。

【００１５】このように、この実施例によれば、視野内
のパターンの任意の間隔データを所定の式に代入するこ
とにより、Ｘ軸およびＹ軸までの距離を求めることがで
きると共に、視野内の少なくとも二つの距離データを比
較することにより中心方向を求めることができるので、
アライメントマーク１の中心位置をアライメント光学系
の視野中心に比較的容易かつ精度良く位置合わせを行う
ことができる。

【００１６】図２はこの発明の第２実施例を示すもので
ある。このアライメントマーク１１は、第１実施例と同
様に、位置合わせマーク１２を構成する四角形パターン
のＹ軸に平行な辺と辺の間隔にＸ軸方向の位置情報をも
たせ、Ｘ軸に平行な辺と辺の間隔にＹ軸方向の位置情報
をもたせたものであるが、この実施例では四角形の辺と
辺および隣接する四角形間の間隔、つまりエッジ間隔を
アライメントマーク１１の中心で、かつ位置合わせの中
心となる原点を直交する中心軸線からの距離の定数倍と
なるように構成する。具体的には、一辺が約７５μｍの
正方形視野のアライメント光学系を用いてアライメント
することを前提として、図２の記号Ａ〜Ｗの間隔（μ
ｍ）を第３表のように構成する。

【００１７】

【００１８】このように構成すれば、任意の位置のエッ
ジ間隔ｐを測定してそれを定数倍することにより、その
エッジが原点から何番目であり、また端からいくつの所
にあるかを容易に求めることができる。この実施例で
は、 Ｘ＝ｐ・１０〔μｍ〕 を演算することにより、そのエッジ位置から目標中心位
置（原点）までの距離Ｘを求めることができる。また、
上記のアライメントマーク１１を一辺が約７５μｍの正
方形視野のアライメント光学系で観察すると、マーク間
隔の一番広い最外周部でも、視野の中に少なくとも三つ
のエッジパターンが入り、したがって少なくとも二つの
間隔データが得られるので、その隣接する間隔データを
比較することにより中心軸方向を知ることができる。こ
のように、この実施例によれば、視野内のパターンの任
意の間隔データを単に１０倍するだけで、Ｘ軸およびＹ
軸までの距離を求めることができると共に、視野内の少
なくとも二つの距離データを比較することにより中心方
向を求めることができるので、第１実施例と同様にアラ
イメントマーク１１の中心位置をアライメント光学系の
視野中心に比較的容易かつ精度良く位置合わせを行うこ
とができる。

【００１９】以下、上述したこの発明に係るアライメン
トマークを用いる具体的な位置合わせについて説明す
る。図３はグローバルアライメントを行う際に用いるア
ライメント光学系の一例の構成を示すものである。この
アライメント光学系は、図示しない光源からの光を光フ
ァイバ２１、ビームスプリッタ２２および対物レンズ２
３を経てウエハ２４に投射し、その像を対物レンズ２
３、ビームスプリッタ２２、結像レンズ２５および撮像
レンズ２６を経て撮像素子２７で受光するようになって
いる。なお、このアライメント光学系の視野の大きさ
は、約７０μｍとなっている。撮像素子２７は、固体撮
像素子や撮像管をもって構成され、その映像信号は図示
しない画像処理装置に供給され、ここで一画素がウエハ
２４上で約０．１５μｍに相当するように、約縦４８０
×横５１２個の画素にサンプリングされて所要の演算が
行われるようになっている。

【００２０】図３に示したアライメント光学系を用いて
グローバルアライメントを行うにあたっては、先ずウエ
ハ２４をウエハ搬送手段によりウエハステージ上の所定
の位置に搬送した後、ウエハ上のアライメントマークが
アライメント光学系の視野内に入るように機械的に位置
合わせする。この場合の位置合わせ精度は、機械的なプ
リアライメント精度によるが、ウエハ２４上のアライメ
ントマークによる位置合わせ可能範囲、すなわちアライ
メントマークの一辺は通常約５００μｍあり、機械的プ
リアライメントの位置合わせの精度範囲よりも大きいの
で、この機械的プリアライメントによってアライメント
光学系の視野がアライメントマーク内に位置することに
なる。次に、撮像素子２７からのアライメントマークの
映像信号を画像処理装置に取込んで位置情報を読み取
り、その位置情報に基づいてアライメントマークの中心
がアライメント光学系の視野中心近傍となるように位置
合わせする。ここで、視野中心近傍にアライメントマー
ク中心がない場合、または位置合わせ精度が足りない場
合には、同様にして撮像素子２７からの映像信号を取込
んで位置情報を読み取り、その位置情報に基づいてアラ
イメントマークの中心がアライメント光学系の視野中心
近傍となるように位置合わせする動作を繰り返す。な
お、アライメントマークの中心部に細アライメント用の
マークが特別に設けられている場合には、それを用いて
高精度の位置合わせを行う。

【００２１】図４は特別な細アライメントマークを持た
ない場合のアライメントのフローチャートを示すもので
ある。先ず、視野内にウエハ上の位置合わせマークが入
るようにウエハをセットする。次に、必要な精度で位置
合わせが行われているか否かを確認し、行われていれば
位置合わせを終了し、行われていなければ視野内のマー
クの間隔データから位置情報を読み取って移動量と方向
とを算出し、それに基づいてウエハを移動させる動作を
繰り返して位置決めを行う。図５は特別な細アライメン
トマークを持つ場合のアライメントのフローチャートを
示すものである。この場合には、アライメントマーク
が、中心探索用の粗アライメントマーク部と、中心部に
ある高精度の位置合わせを行うための位置情報を持つ細
アライメントマーク部との二つの部分があるので、先ず
視野内にウエハのアライメントマークが入るようにウエ
ハをセットした後で、視野内にマーク中心が入っている
か否かを確認し、入っていなければ粗アライメントマー
クの間隔データから位置情報を読み取って移動量と方向
とを算出し、それに基づいてウエハを移動させる動作を
繰り返して、視野内にマーク中心が入るように位置決め
を行う。その後、必要な精度で位置合わせが行われてい
るか否かを確認し、行われていないときは、次に細アラ
イメントマークの間隔データから位置情報を読み取って
移動量と方向とを算出し、それに基づいてウエハを移動
させる動作を繰り返して高精度の位置合わせを行う。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、アラ
イメントマークを構成する複数の位置合わせマークを、
その任意の隣接するエッジ間の距離が位置合わせ中心部
までの距離の関数となるよう構成すると共に、その順次
のエッジ間の距離の比較から位置合わせ中心部の方向を
識別し得るよう構成したので、アライメントを行うにあ
たってマーク形状のデータを記憶したり、複雑な計算を
行う必要がない。したがって、プログラム製作を簡易化
できると共に、単純な計算処理プログラムで、位置合わ
せを迅速かつ正確に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す図である。

【図２】この発明の第２実施例を示す図である。

【図３】アライメント光学系の一例の構成を示す図であ
る。

【図４】この発明に係るアライメントマークを用いる場
合のアライメントのフローチャートの一例を示す図であ
る。

【図５】同じくこの発明に係るアライメントマークを用
いる場合のアライメントのフローチャートの他の例を示
す図である。

【図６】従来の技術を説明するための図である。

【符号の説明】

１，１１ アライメントマーク ２，１２ 位置合わせマーク

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置合わせ中心部に位置合わせを行うた
   めに、所定の方向に沿って配列された複数の位置合わせ
   マークを有するアライメントマークにおいて、前記複数
   の位置合わせマークを、その任意の隣接するエッジ間の
   距離が前記位置合わせ中心部までの距離の関数となるよ
   う構成すると共に、その順次のエッジ間の距離の比較か
   ら前記位置合わせ中心部の方向を識別し得るよう構成し
   たことを特徴とするアライメントマーク。