JPH02192114A - 位置合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置合わせ装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、レチクル等の第１物体面上に生
成されている微細な電子回路パターンをウェハ等の第２
物体面上に露光転写する際にレチクルとウェハとの相対
的な位置決め（アライメント）を行う場合に好適な位置
合わせ装置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、レチクル
とウェ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。

一般に露光装置においてレチクルとウェハとの相対的な
位置関係を検出する場合、例えば第２図に示すようにウ
ェハＷ面上に形成した位置合わせ用のウェハマークＭＷ
を不図示の照明手段により照明している。そしてウェハ
マークＭ、の像を投影レンズｌによりレチクルＲ面上に
結像させ、レチクル８面上の位置合わせ用のレチクルマ
ークＭＲと該ウェハマークＭｗの像とを同一の撮像手段
面上に形成している。モして撮像手段面上におけるレチ
クルマークＭ８とウェハマークＭ、どの相対的な位置関
係を検出することによりレチクルとウェハとの位置関係
を検出している。

この他レチクルマークＭＲとウェハマークＭｗを格子状
マークより構成し、ウェハマークＭ、の像をレチクルマ
ークＭＲ面上に重ね合わせ、このとき形成されるモアレ
縞の強度を検出することによりレチクルとウェハとの相
対的な位置関係を検出する方法も知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、所謂縮少投影型の露光装置（ステッパー
）で用いられている投影レンズは露光波長で収差補正さ
れているため、位置合せ用の照明光の波長が露光波長と
異なると軸上色収差により、例えば第２図に示す波線の
ようにウェハマークＭｗの像はレチクルＲ上に結像せず
、レチクルＲより遠く離れた位置Ｒ°に結像する。この
為、レチクルとウェハの相対位置関係を検出する為には
このときの軸上色収差等を補正する光学系をレチクルと
投影レンズとの間に挿入する必要があった。また最近エ
キシマレーザ−を使用した露光装置が種々と提案されて
いる。この場合露光波長をエキシマレーザ−からの発振
波長、例えば波長２４８ｎｍに対して位置合わせ用の照
明光としてＨｅ−Ｎｅレーザからの発振波長６３２．８
ｎｍを用いると、その軸上色収差は１ｍ程度となってく
る。このときの色収差を補正光学系により良好に補正し
ようとすると補正光学系が複雑化及び大型化してくると
いう問題点があった。

更にエキシマレーザを使用した露光装置においては例え
ば最小線幅が０．５μｍ程度の解像力が要求され、この
ときの位置合わせ精度は０１μｍ以下が必要となり、従
来の位置合わせ方法では精度的に大変能しいという問題
点があった。

本発明は露光波長と位置合わせ用の波長とが異なり、こ
れらの波長による投影レンズの軸上色収差が大きい場合
でも簡易な構成により、より高精度にレチクルとウェハ
との位置合わせな可能とした位置合わせ装置の提供を目
的とする。

（問題点を解決するための手段） レチクル面上に少なくとも２個のホログラムを形成し、
該ホログラムを照明手段により波長λの再生光で照明し
、ウェハ面上に設けたピッチＬ。

の格子状マークを一方のホログラムの再生像で角度αＷ に立てた垂線に対する角度、ｎは正の整数）で照明し、
他方のホログラムの再生像で角度−ａＷで照明すると共
に、該ウェハから角度ｋ・ａＷ（ｋは整数）方向に射出
した光束を検出することにより該レチクルとウェハとの
位置合わせを行ったことである。

（実施例） 第１図は本発明を半導体製造用の露光装置に適用したと
きの第１実施例の光学系の要部概略図である。

同図においてはレチクル８面上の電子回路パターンを投
影レンズｌによりウニへＷ面上に縮少投影し露光転写を
行っている。

そしてこのときのレチクルＲとウェハＷとの位置合わせ
は次のようにして行っている。

まず、直線偏光のＨｅ−Ｎｅレーザー２から放射される
露光光とは異った波長の光束を電気光学素子（ＥＯ素子
）や音響光学素子（ＡＯ素子）３等の位相変化手段に入
射させ、通過する光束の位相を駆動手段４により制御し
、光束分割プリズム５に入射させている。

光束分割プリズム５は２つのタブタイププリズムを接着
面を偏光ビームスプリッタ−面５ａとして接合された形
状より成っており該偏光ビームスブリット面５ａにより
、所定の偏光状態の２つの光束に分割した後、例えばＰ
偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させるようにして分割し
た後、射出させている。

そして光束分割プリズム５からの２つの射出光束なλ／
４板６を通過させ右回りの円偏光と左回りの円偏光にし
てレチクル８面上に設けた位置合わせ用のマークである
所定形状のホログラムＧＲ１，ＧＲ２に入射させている
。

このとき２つのホログラムＧＲ１，ＧＲ２の再生像が投
影レンズｌによりウェハＷ面上の位置合わせ用のウェハ
マークＧＷ面上に結像しモアレ縞が形成するようにして
いる。

本実施例においてはホログラムＧＲ１，Ｇｎ２は例えば
第３図に示すように位置Ｒ°上の照明領域Ｍをあたかも
２つの方向からの光束で照明し、位置Ｒ゛と結像関係（
共役関係）であるウェハＷ面上に光束を導く作用をする
グレーティング状マークより成ってい葛。

実際にはホログラムＧＲ１，ＧＲ２は位置Ｒ゛の照明領
域からレチクルＲ上に形成したホログラムより成り、互
いに異なる方向の照明光を再生する。

このときのホログラムの形状は第１図に示すホログラム
ＧＲ１，ＧＲ２に入射する光束を垂直とすればレチクル
８面上の照明領域から放射される光（物体光）とレチク
ルＲに対し垂直に入射される光（参照光）を仮定すれば
演算より求めることができる。

このうちホログラムＧＲＩは位置Ｒ゛上の照明領域を角
度子ａＲ方向から照明して恰もウェハＷ面上に角度子〇
ｗ方向の照明をするようなホログラムであり、角度α８
とα、は位置Ｒ°とウェハＷとの結像倍率をβとすると （Ｚｗ＝　　　αＲ／β なる関係を有している。

又、ホログラムＧＲ２は位置Ｒ゛上に角度α３方向から
照明して恰も角度−Ｑｗｈ向の照明をするホログラムで
ある。

このようなウェハＷ面」二の照明光を再生するには参照
光と同じ光をレチクルＲ面上に入射させれば再生するこ
とができる。

第４図はこのときの位置Ｒ°の照明領域Ｍ及びレチクル
８面上のホログラムＧＲＩ、ＧＲ２の形状を示す一例で
ある。領域Ｍの中心軸ＣＲ’　とホログラムＧＲＩ、Ｇ
Ｒ２の中心軸ＣＲは一致しており、ホログラムＧＲ１，
ＧＲ２は投影レンズｌの露光光と照明光との軸上色収差
によって決まる距離ＬＤ離れたピッチＬＲの格子状ホロ
グラムである。

同図において斜線部はＨｅ−Ｎｅレーザーからの光に対
して透明で、その他の部分はＨｅ−Ｎｅレーザーからの
光に対し不透明となっている。

格子状ホログラムＧＲＩ、ＧＲ２のピッチＬＲはＨｅ−
Ｎｅレーザの発振波長をλとするとＬＲ＝λ／　ｓ　ｉ
　ｎ　ａ　Ｒ’ なる関係を有している。

第１図においてＨｅ−Ｎｅレーザー２から発振された直
線偏光の光が電気光学素子３に入射するときＨｅ−Ｎｅ
レーザの２つの直線偏光成分ＡＸ、ＡＶの複素振幅は光
の進行方向の軸をＺ、Ｚ軸に垂直な互いに直交する軸を
Ｘ、Ｙ、に＝２π／λとすると Ａｘ　＝Ａｏ　ｅＸｐ　（−ｉ　ｋｔ）Ａｔ　＝Ａｏ　
ｅｘｐ　（ｉ　ｋ　ｔ）と表わされる。電気光学素子３
により偏光成分Ａ、とＡＹに位相差ΔＥを付加させると
偏光成分Ａ＋＋、Ａｖは Ａｘ　＝Ａｏ　ｅｘｐ　（−ｉ　ｋ　ｔ）ＡＶ　＝Ａｏ
　ｅＸｐ　（−ｉ　　（ｋｔ−ΔＥ））となる。ここで
電気光学素子３を通過した光の内、光束分割プリズム５
を透過した偏光成分Ａ。

はλ／４板６を通過して右回りの円偏光、例えば右回り
の円偏光となり、ホログラムＧＲＩに垂直に入射し、光
束分割プリズム５で反射した偏光成分Ａｙはλ／４板６
を通過して左回りの円偏光となりホログラムＧＲ２に垂
直に入射する。

ホログラムＧＲＩに入射した光は前述したウェハＷ面上
を角度子α１て照明する。又ウェハ面Ｗ上には位置合わ
せ用のウェハマークＧ、が形成されている。

第５図に示すようにウェハマークＧｙはピッチＬｗの格
子状マークより成っている。（尚、同図においては斜線
部が凹部になっている。）ピッチＬｗはｎを正の整数と
すると Ｌ　ｗ　＝　ｎ入／　ｓ　ｉ　ｎαＷ の関係を有している。

ホログラムＧＲＩによる照明光は幅Ｌ０°の照明領域を
照明し、その中心軸をＣＲ”　とする。

位置Ｒ°とウェハＷとは共役関係にあるから軸ＣＲ’　
とＣＲ”　とはｌ対ｌに対応する。ｃｗはウェハマーク
ＧＷの中心軸であり、ΔＳは軸ＣＲと軸ＣＷの位置ずれ
量に相当している。

ここで軸ＣＲ’　と軸ＣＲは同じであるから位置ずれ量
ΔＳはまさにレチクルＲとウェハＷとの位置ずれ量を表
わしている。

即ち第１図に示すようにウェハマークＧＷから回折され
る一ｎ次光はウェハＷに対して垂直に放射され、投影レ
ンズ１、λ／４板６そして反射鏡１１で反射し、検光子
７に到達する。このときの光は次のように表わされる。

ホログラムＧＲＩからの偏光成分ＡＶはレチクルマーク
の位置とウェハマークの位置との位相差δを δ＝　ｌエニ」Ｌ鉦 ｗ とし、回折効率をεとおくと Ａｖ　、　　ｔ　Ａｏ　ｅｘｐ　（−ｉ（ｋｔ　−ｎδ
））となる。又ホログラムＧＲ２からの偏光成分へつは
位相差をΔＥとすると ＡＸ　□　　ｔ　Ａｏ　ｅｘｐ　（−ｉ（ｋｔ　＋　ｎ
δ　−ΔＥｌ）となる。

ここで検光子７はＸ軸に対して４５度に配置されている
ものとすると光電素子８で検出される信号用の光強度１
５１ｇは Ｉｓｉｇ＝’−ユ’−（＋　＋ｃｏｓ　（２ｎδ−ΔＥ
ｌ）となる。

本実施例において光強度１５１ｇと電気光学素子３で付
与される偏光成分ＡＸと八〇との位相差ΔＥとの関係は εＩ　Ａ　２　＝　　１ としたとき、例えば第６図に示すようになる。

第１図において光束分割プリズム５を通過した２つの光
はホログラムＧＲＩとＣＲ２に入射するが、そのときの
直接の反射光は再度λ／４板を通過し、その偏光状態は
変化する。この為光束分割プリズム５に入射する２つの
光束は各々反射、透過して検光子９に入射する。検光子
９はＸ軸に対して４５度の偏光成分を通過させるように
設置されている。このとき光電素子１ｏで検出される参
照用の光強度Ｉ　ｒｅｆは １ｒｅｆ　＝　　’　”　”　　（Ｉ　＋ｃｏｓ（ΔＥ
））となる。このときの光強度１　ｒｅｆと位相差ΔＥ
との関係は １ニノ」二　＝１ としたとき第６図に示すようになる。

本実施例では位相差ΔＥを電気光学素子３により例えば
連続的に０〜２πまで変化させることにより光強度１５
１ｇとＩ　ｒｅｆの位相差を検出し、これにより第６図
に示すように位相差δ即ち位置ずれ量ΔＳを検出してい
る。

尚、このときの位相差ΔＥの変化量は電気光学素子３を
駆動制御する駆動手段４への入力電圧を制御することに
より行っている。

本実施例では以上のような構成により、レチクルと投影
レンズとの間に軸上色収差を補正する光学系を設置する
必要がない。又投影レンズの光軸に対して放射状のグレ
ーティングマークを用いる場合は問題ないが投影レンズ
の接線方向に延びるマークを用いる場合には露光光とア
ライメント光との間の倍率色収差が問題となる。この場
合はオフセット処理で対応するか補正光学系を必要とす
るが、このときの補正光学系は軸上色収差を伴なう補正
光学系に比べ十分簡易でしかも小型にすることができる
。

又レチクルとウェハの位置ずれを機械的に何んら構成要
素を動かさずに検出することができる為、高い検出精度
を長期に安定して得ることができる。

更にレチクル面上のホログラムに入射させる２つの光の
位相差がレチクルとウェハとの位置ずれによって変化す
る量を検出することを測定原理とし、このときのレチク
ル面上のホログラムに入射させる光の位相差を直接検出
しているので高精度に位相差の変化を検出でき高精度の
位置合わせが出来る等の特長を有している。

第７図は本発明の第２実施例の光学系の要部概略図であ
る。

同図において第１図に示す要素と同一要素には同符番を
付している。本実施例と第１図の第１実施例と異なる構
成は次のとおりである。

本実施例ではＨｅ−Ｎｅレーザ２と電気光学素子３との
間にλ／４板２板金０入している。そうすると電気光学
素子３を透過後のレーザ光の複素振幅ＡＭ、ＡＶは Ａｘ　＝　Ａｏ　ｅｘｐ　　（−ｉ（ｋｔ　−ｘ／２）
　）Ａｙ　＝　Ａｏｅｘｐ　　（−ｉ（ｋｔ−ΔＥｌ）
となる。又光電素子８で検出される光強度ｌ５１ｇは となる。第１実施例では位相差ΔＥをＯ〜２πの範囲で
連続的に変化させたが本実施例では位相差ΔＥをＯとπ
の２段階に変化させている。このときの光強度１５１ｇ
は Ｉ　ｓ　ｉ　ｇ　＝　−二シ”（Ｉ　−ｓ　ｉ　ｎ　（
２ｎδ））、ΔＥ＝０”　””　　＋　　１＋５ｉｎ（
２ｎδ））、ΔＥ＝πとなる。

位相差へＥをある周期でＯとπとの間で交互に変化させ
たときの時間Ｔと光強度１５１ｇの関係は第８図に示す
ようになる。

光電素子８から得られる光強度１５１ｇは位置ずれ量Δ
Ｓがある場合は交流信号となる。従って本実施例では光
強度１５１ｇが直流信号となるようにウェハＷを移動さ
せることによってレチクルとウェハとの位置合わせを行
っている。

このとき光電素子１０で得られる信号光強度Ｉ　ｒｅｆ
はレチクルＲ上でホログラムＧＲＩとＧＲ２に入射する
光の位相差が光強度１ｒｅｆが直流信号になるような所
望のものかどうかを判断し、電気光学素子３に入力され
る電圧を制御する為の信号となっている。

尚、以上の第１１第２実施例においてウェハからの反射
光のうちウェハの法線方向に対し０度のものを検出した
がｙ＝ｓｉｎ−’（ｎλ／ＬＷ　）度の光を１つ又は複
数検出するようにしても良い。

（発明の効果） 本発明によれば前述したようにレチクル面上に所定の２
つのホログラムを形成し、該ホログラムからの再生光を
ウェハとの位置合わせ用に利用することにより、位置合
わせ用に露光波長と異なる波長の光を用いても、高精度
にしかも装置全体の複雑化を防止した特に半導体製造用
の露光装置に好適な位置合わせ装置を達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】 第１、第７図は各々本発明の第１、第２実施例の光学系
の要部概略図、第２図は投影レンズの軸上色収差の説明
図、第３図は本発明に係るレチクル面上のホログラムの
説明図、第４図は本発明に係るホログラムの説明図、第
５図は本発明に係るウェハマークの説明図、第６図は本
発明に係る光電素子で検出される信号の説明図、第８図
は第７図の第２実施例で得られる信号の説明図である。 図中１は投影レンズ、２は光源、３は電気光学素子、４
は駆動手段、５は光束分割プリズム、６．２０はλ／４
板、７．９は検光子、８．１０は光電素子、１１はミラ
ー、ＧＲＩ、ＧＲ２はホログラム、Ｇｗはウェハマーク
、Ｒはレチクル、Ｗはウェハ、である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レチクル面上に少なくとも２個のホログラムを形
   成し、該ホログラムを照明手段により波長λの再生光で
   照明し、ウェハ面上に設けたピッチＬ＿ｗの格子状マー
   クを一方のホログラムの再生像で入射角度α＿ｗ （α＿ｗ＝ｓｉｎ＾−＾１（ｎλ／Ｌ＿ｗ）、α＿ｗは
   ウェハ面に立てた垂線に対する角度、ｎは正の整数）、
   で照明し、他方のホログラムの再生像で角度−ａ＿ｗで
   照明すると共に、該ウェハからの角度ｋ・α＿ｗ（ｋは
   整数）方向に射出した光束を検出することにより該レチ
   クルとウェハとの位置合わせを行ったことを特徴とする
   位置合わせ装置。
2. （２）前記２個のホログラムに入射させる再生光の位相
   差を位相変化手段により周期的に変化させたことを特徴
   とする請求項１記載の位置合わせ装置。
3. （３）前記２個のホログラムに入射させる再生光の位相
   差を検出する検出手段を有していることを特徴とする請
   求項１又は請求項２記載の位置合わせ装置。
4. （４）前記２個のホログラムに入射させる２つの再生光
   は一方が右回り円偏光、他方が左回り円偏光であること
   を特徴とする請求項３記載の位置合わせ装置。