JP3639231B2 - 位置合わせ装置及び位置合わせ方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置合わせ装置及び位置合わせ方法に関し、特に微少間隙を隔てて対向配置された2つの対象物の位置合わせを行う装置及び位置合わせ方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
X線露光や電子線露光において、一般的に近接露光が用いられる。近接露光では、マスクとウエハとを微少間隙(プロキシミティギャップ)を隔てて配置し、マスクを通してウエハ表面にX線または電子線を照射する。マスクとウエハとの位置合わせは、マスクに形成された位置合わせ用のマスクマークと、ウエハに形成された位置合わせ用のウエハマークとを同時に観察し、両者の位置ずれ量を検出することにより行われる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
位置合わせ時に、ウエハマークはマスクを通して観察される。マスクが可視光を十分透過させる場合には特に問題はないが、可視光の透過率が低い場合には、十分な明るい像を得ることができず、位置合わせを行うのが困難になる。また、ウエハとマスクとの間隙を調節する際に、ウエハがマスクに接触してしまい、マスクが損傷してしまう場合がある。
【0004】
本発明の目的は、マスクの透過率が低い場合であっても、容易に位置合わせを行うことができ、かつマスクの破損の生じにくい位置合わせ装置及び位置合わせ方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、第1の面上に第1のマークが形成された第1の対象物を保持する第1の保持手段と、第2の面上に第2のマークが形成された第2の対象物を保持する第2の保持手段と、前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面からある間隙を隔てて配置される第1の位置、及び該第1の面の法線方向に平行な視線で見たとき、前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の少なくとも一部が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物と重ならない第2の位置に、前記第2の保持手段を移動させる移動機構と、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1のマークの、前記第1の面に平行な方向に関する位置を測定すると共に、前記第2の保持手段が前記第1の位置にあるときに、該第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面上の第2のマークの、該第2の面に平行な方向に関する位置を測定する第1の測定装置と、前記第2の保持手段が前記第2の位置にあるときに、該第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面に平行な方向、及び垂直な方向に関して、前記第2のマークの位置を測定する第2の測定装置と、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物及び前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の一方を他方に対して変位させる微調機構とを有する位置合わせ装置が提供される。
【0006】
第2の保持手段に、基準マークが形成された部材を保持し、第2の保持手段が第1の位置に配置されている時、及び第2の位置に配置されている時の基準マークの位置を検出する。両者の位置情報を関連づけることにより、第2の保持手段が第2の対象物を保持して第2の位置に配置されている時の、第2のマークの位置情報から、第2の保持手段を第1の位置まで移動させたときの第2のマークの位置を知ることができる。これにより、第2の保持手段を第2の位置から第1の位置まで移動させたときに生ずるであろう第1の対象物と第2の対象物との相対的な位置関係を、第2の保持手段が第2の位置に配置されている状態で、調整することができる。
【0007】
本発明の他の観点によると、(a)第3の保持手段を第3の位置に配置し、第3の測定装置で、該第3の保持手段に固定された基準マークの位置を測定する工程と、(b)前記第3の保持手段を、XY面に平行な方向に移動させて第4の位置に配置し、第4の測定装置で、該第3の保持手段に固定された前記基準マークの位置を測定する工程と、(c)前記工程で得られた前記基準マークの2つの位置情報に基づいて、前記第3の測定装置で測定される位置情報と前記第4の測定装置で測定される位置情報とを関連づけた位置関係情報を求める工程と、(d)前記第3の位置に配置されているときの前記第3の保持手段に保持された第3の対象物に、ある間隙を隔てて対向するように、第4の保持手段で第4の対象物を保持する工程と、(e)前記第3の測定装置で、前記第4の保持手段に保持された第4の対象物上の第4のマークの位置を測定する工程と、(f)第3の対象物を前記第3の保持手段で保持し、該第3の保持手段を前記第4の位置まで移動させる工程と、(g)前記第3の保持手段が前記第4の位置まで移動した状態で、該第3の保持手段に保持された第3の対象物に形成された第3のマークの位置を、前記第4の測定装置で測定する工程と、(h)前記第3の保持手段を前記XY面に平行な方向に移動させて前記第3の位置に配置すると共に、前記第3のマークの位置情報と、前記位置関係情報とに基づいて、前記第3の対象物及び第4の対象物の一方を他方に対して相対的に移動させ、両者の位置合わせを行う工程とを有し、前記工程(a)において、前記XY面に平行な方向、及び該XY面に垂直なZ方向に関して前記基準マークの位置を測定し、前記工程(g)において、前記XY面に平行な方向、及び該XY面に垂直なZ方向に関して前記第3のマークの位置を測定し、前記工程(h)において、XY面に平行な方向及びZ方向に関して位置合わせを行う位置合わせ方法が提供される。
【0008】
第3の保持手段が第4の位置に配置されている状態で、第3のマークの位置が検出される。この状態では、第4の対象物は第3の対象物に対向配置されていない。このため、第4の対象物に遮られることなく、第3のマークを観察することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を説明する前に、図1〜図5を参照して、実施例に関連する本願発明者の先の提案について説明する。
【0010】
図1は、先の提案による位置検出装置の概略図を示す。先の提案による位置検出装置はウエハ/マスク保持部10、光学系20、及び制御装置30を含んで構成されている。
【0011】
ウエハ/マスク保持部10は、ウエハ保持台15、マスク保持台16、微調機構17及び18を含んで構成されている。位置合わせ時には、ウエハ保持台15の上面にウエハ11を保持し、マスク保持台16の下面にマスク12を保持する。ウエハ11とマスク12とは、ウエハ11の露光面とマスク12のウエハ側の面(マスク面)との間に一定の間隙が形成されるようにほぼ平行に配置される。ウエハ11の露光面には、位置合わせ用のウエハマークが形成され、マスク12のマスク面には位置合わせ用のマスクマークが形成されている。
【0012】
微調機構17は、ウエハ11とマスク12との露光面内に関する相対位置が変化するように、ウエハ保持台15若しくはマスク保持台16を移動させることができる。微調機構18は、ウエハ11の露光面とマスク12のマスク面との間隔が変化するように、ウエハ保持台15を移動させることができる。図の左から右にX軸、紙面に垂直な方向に表面から裏面に向かってY軸、露光面の法線方向にZ軸をとると、微調機構17は、ウエハ11とマスク12の、X軸方向、Y軸方向、Z軸の回りの回転方向(θz方向)に関する相対位置を調整し、微調機構18は、Z軸方向、X軸及びY軸の回りの回転(あおり)方向(θx及びθy方向)の相対位置を調整する。
【0013】
光学系20は、像検出装置21A、21B、レンズ22、28、ハーフミラー23、26A、光ファイバ24、ミラー26Bを含んで構成される。光学系20の光軸25は、ZX面に平行であり、かつ露光面に対して斜めになるように配置されている。
【0014】
光ファイバ24から放射された照明光はハーフミラー23で反射して光軸25に沿った光線束とされ、レンズ22を通して露光面に斜入射される。レンズ22を透過した照明光は平行光線束もしくは収束光線束になる。
【0015】
ウエハ11及びマスク12に設けられたウエハマーク及びマスクマークがエッジ若しくは頂点を有する場合には、エッジ若しくは頂点で照明光が散乱される。散乱光のうちレンズ22に入射する光はレンズ22で収束され、その一部がハーフミラー23と26Aを透過して像検出装置21Aの受光面29A上に結像する。受光面29A上への結像倍率は、例えば20倍である。散乱光のうちハーフミラー26Aで反射した光は、ミラー26Bで反射し、リレーレンズ28で収束されて像検出装置21Bの受光面29B上に結像する。受光面29B上への結像倍率は、例えば80〜100倍である。このように、相互に倍率の異なる2つの観測光学系が配置されている。
【0016】
像検出装置21A及び21Bは、それぞれ受光面29A及び29B上に結像したウエハ11及びマスク12からの散乱光による像を光電変換し画像信号を得る。これらの画像信号は制御装置30に入力される。
【0017】
制御装置30は、像検出装置21A及び21Bから入力された画像信号を処理して、ウエハ11とマスク12との相対位置を検出する。さらに、ウエハ11とマスク12が所定の相対位置関係になるように、微調機構17及び18に対して制御信号を送出する。微調機構17は、この制御信号に基づいてマスク保持台16をXY面内で平行移動させ、Z軸の回りに回転させる。微調機構18は、この制御信号に基づいてウエハ保持台15をZ軸方向に平行移動させ、X軸とY軸の回りに微小回転させる。
【0018】
図2(A)は、図1のウエハ11及びマスク12に形成された位置合わせ用のウエハマーク13A、13B、及びマスクマーク14の相対位置関係を示す平面図である。長方形パターンをY軸方向に3個、X軸方向に14個、行列状に配列して各ウエハマーク13A及び13Bが形成されている。同様の長方形パターンをY軸方向に3個、X軸方向に5個、行列状に配置して1つのマスクマーク14が形成されている。位置合わせが完了した状態では、マスクマーク14は、Y軸方向に関してウエハマーク13Aと13Bとのほぼ中央に配置される。
【0019】
ウエハマーク13A、13B、及びマスクマーク14の各長方形パターンの長辺はX軸と平行にされ、短辺はY軸と平行にされている。各長方形パターンの長辺の長さは例えば2μm、短辺の長さは例えば1μmであり、各マーク内における長方形パターンのX軸及びY軸方向の配列ピッチは4μmである。ウエハマーク13Aと13Bとの中心間距離は56μmである。
【0020】
図2(B)は、図2(A)の一点鎖線B2−B2における断面図を示す。ウエハマーク13A及び13Bは、例えば露光面上に形成したSiN膜、ポリシリコン膜等をパターニングして形成される。マスクマーク14は、例えばSiC等からなるメンブレン12のマスク面上に形成したTa4B膜をパターニングして形成される。
【0021】
図2(C)は、図2(A)の一点鎖線C2−C2における断面図を示す。光軸25に沿ってウエハマーク13A、13B及びマスクマーク14に入射した照明光は、図2(C)の各長方形パターンの短辺側のエッジで散乱される。エッジ以外の領域に照射された光は正反射し、図1のレンズ22には入射しない。従って、像検出装置21A及び21Bでエッジからの散乱光のみを検出することができる。ここで、正反射とは、入射光のうちほとんどの成分が、同一の反射方向に反射するような態様の反射をいい、反射角が入射角と等しくなる。
【0022】
図1の光学系20の物空間において光軸25に垂直な1つの平面上の複数の点からの散乱光が、像検出装置21A及び21Bの受光面29A及び29B上に同時に結像する。受光面29A及び29B上に結像している物空間内の物点の集合した平面を「物面」と呼ぶこととする。
【0023】
図2(C)において、ウエハマーク13A、13B及びマスクマーク14の各エッジのうち、物面27上にあるエッジからの散乱光は受光面上に合焦するが、物面上にないエッジからの散乱光は合焦せず、エッジの位置が物面から遠ざかるに従って当該エッジからの散乱光による像のピントが合わなくなる。従って、各マークのエッジのうち物面に最も近い位置にあるエッジからの散乱光による像が最も鮮明になり、物面から離れた位置にあるエッジからの散乱光による像はぼける。
【0024】
図3は、エッジからの散乱光による受光面上の像のスケッチである。図3のu軸が図2(C)における物面27とZX面との交線方向に相当し、V軸が図2(C)におけるY軸に相当する。ウエハマーク13A及び13Bからの散乱光による像40A及び40Bがv軸方向に離れて現れ、その間にマスクマーク14からの散乱光による像41が現れる。
【0025】
各長方形パターンの前方のエッジと後方のエッジによる散乱光が観測されるため、1つの長方形パターンに対して2つの点状の像が現れる。各像において、図2(C)の物面27近傍のエッジからの散乱光による像がはっきりと現れ、それからu軸方向に離れるに従ってぼけた像となる。また、図2(C)に示すように、観測光軸25が露光面に対して傾いているため、ウエハマークからの散乱光による像40A及び40Bの最もピントの合っている位置とマスクマークからの散乱光による像41の最もピントの合っている位置とは、u軸方向に関して一致しない。
【0026】
マスクマークからの散乱光による像41が、v軸方向に関して像40Aと40Bとの中央に位置するように、図1のウエハ保持台15とマスク保持台16とを移動させることにより、Y軸方向、即ち物面と露光面との交線方向に関してウエハ11とマスク12との位置合わせを行うことができる。
【0027】
図1に示す位置検出装置では、ウエハマーク及びマスクマークを斜方から観測するため、光学系20を露光のためのエネルギビーム40の経路内に配置する必要がない。このため、露光時に光学系20を露光範囲外に退避させる必要がない。また、位置合わせ完了後にウエハを露光する場合、露光中も常時位置検出が可能である。さらに、照明光軸と観察光軸を同軸にしているため、軸ずれがなく常に安定した像を得ることができる。
【0028】
図4(A)及び図4(B)は、像検出装置21により得られた画像信号を示す。横軸は図3のv軸に対応し、縦軸は光強度を表す。なお、この画像信号は、図3に示す受光面を走査して得られた画像信号のうち、像40A及び40Bの最もピントの合っている位置の走査線と像41の最もピントの合っている位置の走査線に対応する画像信号を合成したものである。
【0029】
図4(A)は、ウエハマークがポリシリコンで形成されている場合、図4(B)はウエハマークがSiNで形成されている場合を示す。なお、マスクマークは、共に、Ta4Bで形成されている。図4(A)及び図4(B)に示すように、ほぼ中央にマスクマークに対応する3本のピークが現れ、その両側にウエハマークに対応する3本のピークが現れている。
【0030】
以下、図4(A)または図4(B)に示す波形から、マスクマークとウエハマークとの相対位置を検出する方法の一例を簡単に説明する。まず、マスクマークに対応するピーク波形をv軸方向にずらしながら2つのウエハマークの各々に対応するピーク波形との相関係数を計算する。最大の相関係数を与えるずらし量が、ウエハマークとマスクマークとの中心間距離に対応する。
【0031】
マスクマークに対応するピーク波形とその両側のウエハマークの各々に対応するピーク波形との間隔が等しくなるように、ウエハとマスクとを移動することにより、図1のY軸方向に関して位置合わせを行うことができる。
【0032】
なお、図3に示す2次元の画像信号を、u軸方向及びv軸方向に平行移動し、マスクマークの像とウエハマークの像との相似性パターンマッチングを行うことにより、ウエハとマスクとの相対位置を求めてもよい。2次元画像のパターンマッチングを行うことにより、u軸方向とv軸方向に関する像間の距離を求めることができる。
【0033】
次に、ウエハとマスクとの間隔を測定する方法について説明する。図3において、ウエハマークからの散乱光による像40A、40B内のu軸方向に関して最もピントの合っている位置u0が、図2(C)における物面27と露光面との交線P0に相当する。また、図3において、マスクマークからの散乱光による像41のうち、u軸方向に関して最もピントの合っている位置u1が、図2(C)における物面27とマスク面との交線P1に相当する。例えば、図3に示す2次元画像のパターンマッチングにより位置u0とu1間の距離を求めることができる。
【0034】
線分P0P1の長さをL(P0P1)で表すと、ウエハ11とマスク12との間隔δは、
【0035】
【数1】
δ=L(P0P1)×sin(α)
と表される。ここで、αは露光面の法線方向と光軸25とのなす角である。従って、図3におけるu軸上の位置u0とu1間の距離L(u0u1)を測定して線分P0P1の長さを求めることにより、間隔δを知ることができる。
【0036】
なお、観測された像同士のパターンマッチングを行うのではなく、基準となる像とのパターンマッチングを行ってもよい。この場合、所望の相対位置関係を満たすようにウエハとマスクとを配置した状態における基準画像信号を、予め記憶しておく。観測されたウエハマークと予め記憶されているウエハマークの像同士の相似性パターンマッチングを行うことにより、ウエハの基準位置からのずれ量を求める。同様にマスクの基準位置からのずれ量を求める。このずれ量から、ウエハとマスクの相対位置を知ることができる。
【0037】
図1に示すY軸方向に関する位置合わせに要求される精度は、集積回路装置の集積度向上に伴って厳しくなっている。例えば、16Gビットの記憶容量を有するダイナミックRAMの場合、12.5nm程度の位置合わせ精度が要求される。
【0038】
図4に示す画像信号に基づいて位置合わせを行うためには、ウエハとマスクとの相対位置合わせがある程度の誤差範囲内に納まっていることが好ましい。しかし、図1に示すウエハ11をウエハ保持台15に保持し、マスク12をマスク保持台16に、この誤差範囲内に納まる精度で保持することは困難である。このため、ウエハ11とマスク12とを保持した後、この誤差範囲内に納まるように粗い位置合わせ(コースアライメント)を行うことが好ましい。
【0039】
結像倍率の低い受光面29A上の像による画像信号に基づいて、このコースアライメントを容易に行うことができる。コースアライメントが完了した後、結像倍率の高い受光面29B上の像による画像信号に基づいて、より高精度の位置合わせ(ファインアライメント)を行うことができる。ファインアライメントを行う前にコースアライメントを行うことにより、ウエハとマスクとを保持する時に要求される位置合わせ精度が緩和される。
【0040】
また、集積度向上に伴い、ウエハ11とマスク12との間隔も一定に保つことが要求される。この間隔は、例えば、線幅0.1μmのX線露光の場合には、10〜20μm程度であり、±1μm程度の精度が要求される。結像倍率の低い受光面29A上の像による画像信号に基づいて、ウエハとマスクとの間隔を検出する。
【0041】
図1では、照明光の光軸と観測光学系の光軸とが一致する場合について示したが、照明光の正反射光が観測光学系20のレンズ22に入射しないような構成であれば、必ずしも2つの光軸を一致させる必要はない。
【0042】
次に、図5を参照して、倍率補正量検出方法ついて説明する。
【0043】
図5は、位置合わせすべきウエハ11とマスク12、及び光学系の概略平面図を示す。ウエハの露光すべき表面内に、XY直交座標系を考える。ウエハ11の表面上に、第1及び第2のX軸用ウエハマークUX1及びUX2が形成されている。両者は、X軸方向に関して相互に異なる位置に配置されている。さらに、ウエハ11の表面上に、第1及び第2のY軸用ウエハマークUY1及びUY2が配置されている。両者は、Y軸方向に関して相互に異なる位置に配置されている。
【0044】
マスク12には、第1及び第2のx軸用マスクマークMX1及びMX2、第1及び第2のY軸用マスクマークMY1及びMY2が形成されている。第1及び第2のX軸用マスクマークMX1及びMX2は、それぞれ第1及び第2のX軸用ウエハマークUX1及びUX2に対応する位置に配置され、第1及び第2のY軸用マスクマークMY1及びMY2は、それぞれ第1及び第2のY軸用ウエハマークUY1及びUY2に対応する位置に配置されている。
【0045】
これらのウエハマーク及びマスクマークは、図2(A)に示したものと同様の構成を有する。光学系20X1が、第1のX軸用ウエハマークUX1及び第1のX軸用マスクマークMX1のX軸方向のずれ量Δx1を観測する。光学系20X2が、第2のX軸用ウエハマークUX2及び第2のX軸用マスクマークMX2のX軸方向のずれ量Δx2を観測する。光学系20Y1が、第1のY軸用ウエハマークUY1及び第1のY軸用マスクマークMY1のY軸方向のずれ量Δy1を観測する。光学系20Y2が、第2のY軸用ウエハマークUY2及び第2のY軸用マスクマークMY2のY軸方向のずれ量Δy2を観測する。これら光学系20X1〜20Y2の各々は、図1に示す光学系20と同様の構成を有する。
【0046】
次に、マスク12の倍率補正量を検出する方法を説明する。最初に、各ウエハマークUX1〜UY2と、それらに対応するマスクマークMX1〜MY2を観測し、粗い位置合わせを行う。
【0047】
次に、ずれ量Δx1、Δy1、及びΔy2を測定する。ずれ量Δx1に基づいて、ウエハ11とマスク12とのX軸方向の相対位置を調節する。より具体的には、ずれ量Δx1が0になるように、ウエハ11に対してマスク12をX軸方向に移動させる。
【0048】
ずれ量Δy1及びΔy2に基づいて、ウエハ11とマスク12とのY軸方向の相対位置を調節する。例えば、(Δy1+Δy2)/2が0になるように、ウエハ11に対してマスク12をY軸方向に移動させる。さらに、ずれ量Δy1及びΔy2に基づいて、ウエハ11とマスク12との面内回転方向の相対位置を調節する。例えば、tan-1〔(Δy1−Δy2)/Lx〕から求まる角度だけ、マスク12を面内方向に回転させる。
【0049】
ここまでの操作により、X軸方向に関しては、第1のX軸用ウエハマークUX1が形成されている位置において、ウエハ11とマスク12との位置が整合する。マスク12が熱膨張等により変形している場合、その他の位置においては、両者の位置がマスクの変形量だけずれる。Y軸方向に関しては、第1のY軸用ウエハマークUY1と第2のY軸用ウエハマークUY2とが配置されている位置のほぼ中央の位置において、ウエハ11とマスク12との位置が整合する。
【0050】
次に、ずれ量Δx2を測定する。ずれ量Δx2が0でない場合には、長さLxに対してずれ量Δx2だけ、マスク12がX軸方向に歪んでいることになる。すなわち、Δx2/Lxから、X軸方向の倍率補正量を求めることができる。
【0051】
次に、ずれ量Δx1、Δx2、及びΔy1を測定する。なお、ここまでの工程で、ずれ量Δx1を0とし、そのときのずれ量Δx2を測定しているため、再度測定し直さなくてもよい。Y軸方向に関しては、ずれ量Δy1を測定した後、マスク12をY軸方向に移動させているため、再度ずれ量Δy1を測定する必要がある。
【0052】
ずれ量Δy1に基づいて、ウエハ11とマスク12とのY軸方向の相対位置を調節する。より具体的には、ずれ量Δy1が0になるように、ウエハ11に対してマスク12をY軸方向に移動させる。
【0053】
ずれ量Δx1及びΔx2に基づいて、ウエハ11とマスク12とのX軸方向の相対位置を調節する。例えば、(Δx1+Δx2)/2が0になるように、ウエハ11に対してマスク12をX軸方向に移動させる。さらに、ずれ量Δx1及びΔx2に基づいて、ウエハ11とマスク12との面内回転方向の相対位置を調節する。例えば、tan-1〔(Δx1−Δx2)/Ly〕から求まる角度だけ、マスク12を面内方向に回転させる。
【0054】
ここまでの操作により、Y軸方向に関しては、第1のY軸用ウエハマークUY1が形成されている位置において、ウエハ11とマスク12との位置が整合する。マスク12が熱膨張等により変形している場合、その他の位置においては、両者の位置がマスクの変形量だけずれる。X軸方向に関しては、第1のX軸用ウエハマークUX1と第2のX軸用ウエハマークUX2とが配置されている位置のほぼ中央の位置に置いて、ウエハ11とマスク12との位置が整合する。
【0055】
次に、ずれ量Δy2を測定する。ずれ量Δy2が0でない場合には、長さLyに対してずれ量Δy2だけ、マスク12がY軸方向に歪んでいることになる。すなわち、Δy2/Lyから、Y軸方向の倍率補正量を求めることができる。
【0056】
X軸方向及びY軸方向の倍率補正量が求まると、この補正量に基づいてマスク12の倍率補正を行う。
【0057】
倍率補正は、例えば、マスクを局所的に加熱して熱変形させることにより行われる。加熱部位を適当に選択することにより、X軸方向またはY軸方向にほぼ独立に変形させることができる(島津らによる「X線マスク熱変形補正による合わせ法の提案」、1997年秋期第58回応用物理学会学術講演予稿集、講演番号4p−ZL−8、第700頁参照)。または、マスクに外部から応力を加えてマスクを変形させてもよい。マスクの倍率補正を行った後、露光を行う。なお、倍率補正後に、再度微細な位置合わせを行ってもよい。
【0058】
次に、図6を参照して、本発明の実施例による位置合わせ装置について説明する。
【0059】
基台50の上に、リニアガイド51が取り付けられ、移動機構52が、リニアガイド51に沿って並進移動する。移動機構52に、微調機構17及び18を介してウエハ保持台15が取り付けられている。ウエハ保持台15が、その上面にウエハ11を保持する。ウエハ保持台15の上方にマスク保持台16が配置されている。マスク保持台16は、その下面にマスク12を保持する。微調機構17、18、ウエハ保持台15、及びマスク保持台16の構成は、図1に示した先の提案による位置合わせ装置の構成と同様である。図6に示した位置合わせ装置においても、図1に示したXYZ直交座標系と同様の座標系を考える。リニアガイド51は、移動機構52をY軸に平行な方向に案内する。
【0060】
移動機構52は、ウエハ保持台15を、ウエハ11がマスク12に対向する露光位置53から待避位置54まで移動させることができる。ウエハ保持台15が待避位置54に配置されると、ウエハ保持台15に保持されたウエハ11は、Z軸に平行な視線で見た時、マスク保持台16に保持されたマスク12と重ならないように配置される。
【0061】
マスク保持台16の上方に光学系20X1及び20X2が配置されている。光学系20X1及び20X2の各々は、図1に示した光学系20と同様のものである。なお、図6では、2つの光学系しか示されていないが、実際には、図5に示したように、4つの光学系20X1、20X2、20Y1、及び20Y2が配置されている。これらの光学系20X1、20X2、20Y1、及び20Y2は、マスク12に形成されたマスクマークの位置を検出するとともに、ウエハ保持台15が露光位置53に配置されている状態で、ウエハ11の露光面に形成されたウエハマークの位置を検出する。これらのマークの位置検出方法は、図3及び図4を参照して説明したので、ここでは説明を省略する。さらに、図2(C)及び図3を参照して説明したように、マスク12とウエハ11とのギャップを測定することができる。
【0062】
なお、図3では、ウエハマークの像40A及び40Bと、マスクマークの像41とが、同時に観測される場合を説明したが、両者は必ずしも同時に観測される必要はない。例えば、マスク12がマスク保持台16に保持されていない状態で、ウエハマークの像40A及び40Bのみを観測して、最もピントの合っている位置u 0 を検出する。次に、マスク12を取り付けて、マスクマークの像41を観測して、最もピントの合っている位置u 1 を検出する。マスク12を取り付ける前後で、ウエハ11のZ軸方向の位置(高さ)が変化しないならば、異なる時期に測定された位置u0とu1とから、マスク12とウエハ11とのギャップを求めることができる。X軸方向及びY軸方向の位置も、異なる時期に測定することが可能である。
【0063】
移動機構52が待避位置54に配置されているときのウエハ保持台15の上方に、光学系60X1、60X2、60Y1、及び60Y2が配置されている。光学系60X1、60X2、60Y1、及び60Y2は、それぞれ光学系20X1、20X2、20Y1、及び20Y2と同様の構成及び機能を有する。
【0064】
光学系20X1、20X2、20Y1、20Y2、60X1、60X2、60Y1、及び60Y2の測定結果が、制御装置に30に入力される。制御装置30は、測定結果を記憶装置30Aに記憶する。記憶装置30Aは、例えば半導体メモリで構成される。さらに、制御装置30は、微調機構17、18、及び移動機構52を制御する。
【0065】
次に、図7〜図10を参照して、本発明の実施例による位置合わせ方法について説明する。図7〜図10は、マスク保持台16、ウエハ保持台15、及び光学系20X1、20X2、20Y1、20Y2、60X1、60X2、60Y1、及び60Y2の配置を示す平面図である。
【0066】
図7に示すように、ウエハ保持台15にダミーウエハ55を保持し露光位置53に配置する。このとき、マスクは未だマスク保持台16に保持されていない。ダミーウエハ55の表面上に、4つの基準マーク56X1、56X2、56Y1、及び56Y2が形成されている。基準マーク56X1、56X2、56Y1、及び56Y2の各々は、図2(A)に示したウエハマーク13A及び13Bと同様の構成を有し、それぞれ図5に示したウエハマークUX1、UX2、UY1、及びUY2に対応する。光学系20X1〜20Y2で、それぞれ基準マーク56X1〜56Y2の位置を測定する。
【0067】
以下、基準マーク56X1を取り上げて説明するが、その他の基準マーク56X2、56Y1及び56Y2についても以下の説明と同様の手順を実行する。
【0068】
基準マーク56X1の中心のX座標をx1とし、Z軸方向の高さをz1とする。ウエハ保持台15を、待避位置54まで移動させる。光学系60X1で、基準マーク56X1の位置を測定する。基準マーク56X1のX座標をx2とし、Z軸方向の高さをz2とする。ウエハ保持台15をY軸方向に移動させたとき、X軸方向及びZ軸方向への変位がなく、かつ光学系20X1の観測座標と光学系60X1の観測座標との相対関係が調整済みであれば、x1=x2、かつz1=z2になるが、一般的には、x1≠x2、かつz1≠z2となる。
【0069】
位置関係情報Δx、Δzを、それぞれΔx=x1−x2、Δz=z1−z2と定義する。位置関係情報Δx及びΔzは、図6に示した記憶装置30Aに記憶される。基準マーク56X1〜56Y2の位置を測定した後、ダミーウエハ55をウエハ保持台15から取り外す。
【0070】
図8に示すように、マスク保持台16にマスク12を保持する。マスク12のマスク面に、マスクマーク57X1、57X2、57Y1、及び57Y2が形成されている。マスクマーク57X1、57X2、57Y1、及び57Y2の各々は、図2(A)に示したウエハマーク14と同様の構成を有し、それぞれ図5に示したマスクマークMX1、MX2、MY1、及びMY2に対応する。
【0071】
光学系20X1で、マスクマーク57X1のX軸方向に関する位置、及びZ軸方向の高さを測定する。マスクマーク57X1のX座標をx0、Z軸方向の高さをz0とし、両者を記憶装置30Aに記憶させる。他のマスクマーク57X2、57Y1、及び57Y2についても同様の手順を実行する。
【0072】
図9に示すように、ウエハ保持台15にウエハ11を保持し、待避位置54に配置する。ウエハ11の露光面に、複数の単位露光領域11Aが画定されている。単位露光領域11Aごとに、位置合わせ及び露光が行われる。
【0073】
単位露光領域11Aの各々に、4つのウエハマーク58X1、58X2、58Y1、及び58Y2が形成されている。光学系60X1でウエハマーク58X1の位置を測定する。ウエハマーク58X1のX座標をx3、Z軸方向の高さをz3とする。他のウエハマーク58X2、58Y1、及び58Y2についても同様の手順を実行する。
【0074】
ウエハ保持台15を露光位置53まで移動させると、ウエハマーク58X1とマスクマーク57X1とのX軸方向の位置ずれ量はx0−(x3−Δx)となり、ウエハマーク58X1が形成された位置におけるマスクとウエハとの間隙の大きさは、z0−(z3−Δz)となる。同様に、ウエハマーク58X2とマスクマーク57X2とのX軸方向の位置ずれ量、ウエハマーク58Y1とマスクマーク57Y1とのY軸方向の位置ずれ量、及びウエハマーク58Y2とマスクマーク57Y2とのY軸方向の位置ずれ量が求まる。さらに、これらのマークが形成された位置におけるウエハとマスクとの間隙の大きさが求まる。
【0075】
これらの情報から、ウエハとマスクとの位置合わせを行うためのX軸、Y軸方向の移動量、及びθz方向の回転角度を求めることができる。これにより、ウエハとマスクとの位置合わせを行うことができる。ウエハ保持台15が待避位置54に配置されている状態で微調機構17及び18を動作させ、位置合わせを行う。
【0076】
図10に示すように、ウエハ保持台15を露光位置53まで移動させる。待避位置54で位置合わせが行われているため、ウエハ保持台15を露光位置53まで移動させた状態で、既にウエハとマスクとの位置合わせは完了している。
【0077】
上記実施例では、図9に示したように、ウエハマークを、マスクを介することなく直接観察することができる。このため、マスクの透過率が低い場合であっても、ウエハマークの位置を容易に検出することができる。また、ウエハ保持台15が待避位置54に配置されている状態で位置合わせが行われるため、ウエハがマスクに接触することによるマスクの破損を防止することができる。
【0078】
上記実施例では、ダミーウエハ55を用いて位置関係情報Δx及びΔzを求めたが、ダミーウエハ55の代わりに、実際に露光すべきウエハを用いて位置関係情報Δx及びΔzを求めることも可能である。例えば、決められた期間ごとに、最初に処理されるウエハを用いて位置関係情報を求めてもよい。2枚目以降のウエハを処理する際には、1枚目のウエハを用いて得られた位置関係情報を利用して、マスクとウエハとの位置合わせが行なわれる。
【0079】
次に、図11を参照して、本発明の他の実施例による位置合わせ装置について説明する。
【0080】
図11(A)は、他の実施例による位置合わせ装置のウエハ保持台及びそれに取り付けられたターゲットステージの平面図を示し、図11(B)は、その一点鎖線B11−B11における断面図を示す。
【0081】
図11(B)に示すように、ターゲットステージ70が、リニアアクチュエータ71及び接続部材73を介してウエハ保持台15に取り付けられている。ターゲットステージ70は、ウエハ保持台15に保持されたウエハ11の露光面に平行なターゲット面70Aを有する。リニアアクチュエータ71は、ターゲット70をZ軸方向に変位させ、ターゲット面70Aがウエハ11の露光面と同じ高さになるように調整することができる。
【0082】
図11(A)に示すように、ターゲット面70A上に、基準マーク72X1、72X2、72Y1、及び72Y2が形成されている。これらの基準マークは、図7に示したダミーウエハ55に形成されていた基準マーク56X1〜56Y2と同様のものである。図7を参照して説明した手順におけるダミーウエハ55の基準マーク56X1〜56Y2の代わりにターゲット70の基準マーク72X1〜72Y2を用いて、位置関係情報Δx及びΔzを求めることができる。このとき、ターゲット面70Aの高さをウエハ11の露光面と同一の高さにしておくことが好ましい。
【0083】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウエハの露光面に形成されたウエハマークを、マスクを通すことなく直接観察し、その位置を検出することができる。また、マスクの配置されていない待避位置で、ウエハとマスクとの間隙の調節を行うことができるため、ウエハがマスクに接触することによるマスクの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】先の提案による位置合わせ装置の概略を示す断面図である。
【図2】ウエハマークとマスクマークの平面図及び断面図である。
【図3】ウエハマークとマスクマークからの散乱光による像をスケッチした図である。
【図4】図1に示す位置検出装置により得られた散乱光による像の画像信号の一例を示すグラフである。
【図5】先の提案による位置検出装置におけるウエハ、マスク及び光学系の配置を説明するための平面図である。
【図6】実施例による位置合わせ装置の主要部の概略断面図である。
【図7】実施例による位置合わせ方法を説明するためのダミーウエハ、それを保持するウエハ保持台、及び光学系の位置関係を示す概略平面図である。
【図8】実施例による位置合わせ方法を説明するためのマスク及び光学系の位置関係を示す概略平面図である。
【図9】実施例による位置合わせ方法を説明するためのウエハ、それを保持するウエハ保持台、及び光学系の位置関係を示す概略平面図である。
【図10】実施例による位置合わせ方法を説明するためのマスク、ウエハ、及び光学系の位置関係を示す概略平面図である。
【図11】他の実施例による位置合わせ装置のウエハ保持台及びターゲットの平面図及び断面図である。
【符号の説明】
10 ウエハ/マスク保持部
11 ウエハ
12 マスク
13A、13B ウエハマーク
14 マスクマーク
15 ウエハ保持台
16 マスク保持台
17、18 微調機構
20、60 光学系
21A、21B 像検出装置
22 レンズ
23、26A ハーフミラー
24 光ファイバ
25 光軸
26B ミラー
27 物面
28 リレーレンズ
29A、29B 結像面
30 制御装置
31 変形補償手段
40A、40B ウエハマークからの散乱光による像
41 マスクマークからの散乱光による像
50 基台
51 リニアガイド
52 移動機構
53 露光位置
54 退避位置
Claims (13)
- 第1の面上に第1のマークが形成された第1の対象物を保持する第1の保持手段と、
第2の面上に第2のマークが形成された第2の対象物を保持する第2の保持手段と、
前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面からある間隙を隔てて配置される第1の位置、及び該第1の面の法線方向に平行な視線で見たとき、前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の少なくとも一部が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物と重ならない第2の位置に、前記第2の保持手段を移動させる移動機構と、
前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1のマークの、前記第1の面に平行な方向に関する位置を測定すると共に、前記第2の保持手段が前記第1の位置にあるときに、該第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面上の第2のマークの、該第2の面に平行な方向に関する位置を測定する第1の測定装置と、
前記第2の保持手段が前記第2の位置にあるときに、該第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面に平行な方向、及び垂直な方向に関して、前記第2のマークの位置を測定する第2の測定装置と、
前記第1の保持手段に保持された第1の対象物及び前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の一方を他方に対して変位させる微調機構と
を有する位置合わせ装置。 - 前記移動機構が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面に平行な直線に沿って、前記第2の保持手段を並進移動させる請求項1に記載の位置合わせ装置。
- 前記第1の測定装置が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面に垂直な方向に関しても、第1のマークの位置を測定することができる請求項1または2に記載の位置合わせ装置。
- さらに、前記移動機構を駆動すると、前記第2の保持手段と共に移動し、該第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面と同一方向を向くターゲット面、及び該ターゲット面上に形成された基準マークを有し、該基準マークの位置が、前記第1及び第2の測定装置で測定可能であるステージターゲットを有する請求項1〜3のいずれかに記載の位置合わせ装置。
- さらに、前記第2の保持手段が前記第1の位置にあるときに、該第2の保持手段に固定された前記第2の対象物の第2のマークを、前記第1の測定装置で測定して得られた第1の位置情報と、該第2の保持手段を前記第2の位置まで移動させたときに、前記第2の測定装置で測定された該第2のマークの第2の位置情報とに基づいて、前記移動機構及び前記微調機構を駆動する制御手段を有する請求項1〜3のいずれかに記載の位置合わせ装置。
- 前記制御手段は、前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とから求められた位置関係情報を記憶する記憶手段を有する請求項5に記載の位置合わせ装置。
- さらに、前記第2の保持手段が前記第1の位置にあるときに、該第2の保持手段に固定された基準マークを、前記第1の測定装置で測定して得られた第1の位置情報と、該第2の保持手段を前記第2の位置まで移動させたときに、前記第2の測定装置で測定された該基準マークの第2の位置情報とに基づいて、前記移動機構及び前記微調機構を駆動する請求項4に記載の位置合わせ装置。
- 前記制御手段は、前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とから求められた位置関係情報を記憶する記憶手段を有する請求項7に記載の位置合わせ装置。
- (a)第3の保持手段を第3の位置に配置し、第3の測定装置で、該第3の保持手段に固定された基準マークの位置を測定する工程と、
(b)前記第3の保持手段を、XY面に平行な方向に移動させて第4の位置に配置し、第4の測定装置で、該第3の保持手段に固定された前記基準マークの位置を測定する工程と、
(c)前記工程で得られた前記基準マークの2つの位置情報に基づいて、前記第3の測定装置で測定される位置情報と前記第4の測定装置で測定される位置情報とを関連づけた位置関係情報を求める工程と、
(d)前記第3の位置に配置されているときの前記第3の保持手段に保持された第3の対象物に、ある間隙を隔てて対向するように、第4の保持手段で第4の対象物を保持する工程と、
(e)前記第3の測定装置で、前記第4の保持手段に保持された第4の対象物上の第4のマークの位置を測定する工程と、
(f)第3の対象物を前記第3の保持手段で保持し、該第3の保持手段を前記第4の位置まで移動させる工程と、
(g)前記第3の保持手段が前記第4の位置まで移動した状態で、該第3の保持手段に保持された第3の対象物に形成された第3のマークの位置を、前記第4の測定装置で測定する工程と、
(h)前記第3の保持手段を前記XY面に平行な方向に移動させて前記第3の位置に配置すると共に、前記第3のマークの位置情報と、前記位置関係情報とに基づいて、前記第3の対象物及び第4の対象物の一方を他方に対して相対的に移動させ、両者の位置合わせを行う工程と
を有し、
前記工程(a)において、前記XY面に平行な方向、及び該XY面に垂直なZ方向に関して前記基準マークの位置を測定し、前記工程(g)において、前記XY面に平行な方向、及び該XY面に垂直なZ方向に関して前記第3のマークの位置を測定し、前記工程(h)において、XY面に平行な方向及びZ方向に関して位置合わせを行う位置合わせ方法。 - 前記両者の位置合わせを行う工程において、前記第3のマークの位置情報と、前記位置関係情報とに基づいて、前記第3の対象物を変位させ、その後、前記第3の保持手段を前記第3の位置まで移動させる請求項9に記載の位置合わせ方法。
- 前記工程(a)が、
前記基準マークが設けられた第5の対象物を前記第3の保持手段に保持する工程と、
前記第3の保持手段に保持された前記第5の対象物に設けられた前記基準マークの位置を測定する工程と
を含む請求項10に記載の位置合わせ方法。 - 第1の面上に第1のマークが形成された第1の対象物を保持する第1の保持手段と、
第2の面上に第2のマークが形成された第2の対象物を保持する第2の保持手段と、
前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面からある間隙を隔てて配置される第1の位置、及び該第1の面の法線方向に平行な視線で見たとき、前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の少なくとも一部が、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物と重ならない第2の位置に、前記第2の保持手段を移動させる移動機構と、
前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面に平行な方向に関して、該第1の対象物の第1のマークの位置を測定する第1の測定装置と、
前記第2の保持手段が前記第2の位置にあるときに、該第2の保持手段に保持された第2の対象物の第2の面に平行な方向、及び垂直な方向に関して、該第2の対象物の第2の面上の第2のマークの位置を測定する第2の測定装置と、
前記移動機構を駆動すると、前記第2の保持手段と共に移動し、前記移動機構を駆動することにより、前記第1の測定装置及び第2の測定装置で、前記第1の面に平行な方向、及び垂直な方向に関する位置が測定される基準マークと、
前記第1の保持手段に保持された第1の対象物及び前記第2の保持手段に保持された第2の対象物の一方を他方に対して、前記第1の面に平行な方向及び垂直な方向に変位させる微調機構と
を有する位置合わせ装置。 - 前記第1の測定装置は、前記第1の保持手段に保持された第1の対象物の第1の面に垂直な方向に関しても、該第1の対象物の第1のマークの位置を測定する請求項12に記載の位置合わせ装置。
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