JPH04321214A - 位置検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置に関し、特
に投影レンズによりレチクル面（第１物体面）上の電子
回路パターンをウエハ面（第２物体面）に投影転写する
際にウエハと、該ウエハに対して光学的に共役関係にあ
り、該レチクルと予め位置合わせがなされている撮像手
段との相対的な位置検出を行なう半導体素子製造用の露
光装置に好適な位置検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体素子製造用の露光装置に
おいて、レチクルとウエハとの相対的な位置検出（アラ
イメント）を行なう一方法に投影レンズを介して行なう
ＴＴＬ方式がある。このＴＴＬ方式には更に所謂ｏｎ−
Ａｘｉｓ方式とｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の２方式がある。 これら２つの方式の位置検出装置では多くの場合、単色
光又は半値全幅を数ｎｍに狭めた光束を位置検出の際の
アライメントマークの観察用照明光（アライメント光）
として用いている。

【０００３】このように従来の位置検出装置では使用す
る光束の波長幅が狭い為、例えばレジストを塗布したウ
エハ面上のアライメントマークを観察する際、レジスト
表面と基板面からの反射光により干渉縞が多く発生し、
検出誤差の原因となっている。

【０００４】このときの干渉縞を軽減する為に半値全幅
が数十ｎｍ程度のスペクトル幅が広い多色光束を放射す
る光源を用いてアライメントマークを観察するようにし
た露光装置が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に投影光学系を屈
折光学系より構成した場合には材質の色分散により、色
収差が発生し、この結果位置検出精度を低下させる一原
因となってくる。多くの場合、投影光学系の諸収差は露
光波長で最適化している。この為露光波長とアライメン
ト波長が異なる場合にはアライメント波長では投影レン
ズを介すると色収差が多く発生してくる。又露光波長と
異なる波長領域より成る多色光（波長λ０〜λｎ　）を
使用する場合には波長λ０　から波長λｎ　までの各々
の波長において、投影レンズを介したときに発生する諸
収差量が各々異なってくる。

【０００６】この為、これらの波長の各光束に基づく像
を合成した像、即ち多色光のアライメントマーク像の画
質は干渉縞はないものの単色光像に比べて低下してくる
。（尚、本出願人は特願平１−１９８２６１号で多色光
源を用いてＴＴＬ方式でアライメントマーク像を観察す
る際の収差補正を良好に行なった露光装置を提案してい
る。）又、波長幅の広い光束を用いると位置合わせ顕微
鏡等により収差補正が良好に行なわれているアライメン
ト波長と、そうでないアライメント波長との差が増大し
てくる。

【０００７】このように屈折光学系を用いる場合、干渉
縞の影響を少なくする為には波長幅を広げれば良いが、
逆に広げすぎると諸収差の発生量が多くなり画質が低下
してくるのであまり広くすることはできない。

【０００８】この他、多色光を用いてウエハ面上のアラ
イメントマークを観察する場合には各波長の強度が均一
な照明光をウエハ面上に照射したとしてもレジスト膜厚
による干渉、レジスト表面及び基板面の反射率等の影響
によりＣＣＤ等の撮像手段で得られるアライメントマー
ク像のスペクトル強度分布が変化してくる。即ちウエハ
像を再生する際に光学系より発生する収差量が、ウエハ
面上の状態（反射率、形状、等の違い）により種々と異
なってくる。

【０００９】このように多色光を用いてＴＴＬ方式で位
置検出をすれば単色光を用いたときの干渉縞の発生は少
なくなるが波長幅を広げたことによる諸収差の発生によ
りアライメントマーク像の観察状態が低下して、十分な
位置検出精度が得られないという問題点があった。

【００１０】又、各ショット又は各ウエハで検出精度が
バラツキ、オフセットが一定とならず高い検出精度を得
るのが難しいという問題点があった。

【００１１】本発明は波長幅の広い多色光を用いて所定
面上の基準位置とウエハ面上のアライメントマークとの
相対的な位置検出を行なう際に分光特性（スペクトル分
布）の異なる複数の光束より得られる位置情報を利用す
ることにより、投影レンズの色収差の影響を少なくし、
高い検出精度を有した位置検出装置の提供を目的とする
。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置は
、第１物体面上のパターンを第２物体面上に投影する投
影レンズを介して所定面上の基準位置と該第２物体面上
に形成したアライメントマークとの相対的な位置検出を
行う際、波長域可変の波長選択部材を有した照明系を用
いて互いに異なる分光分布を有した複数の光束に基づく
アライメントマーク像を、該所定面上に順次形成し、該
所定面上に形成した該複数の光束に基づくアライメント
マーク像に対する位置情報を各々メモリ手段に記憶し、
該メモリ手段に記憶した該複数の位置情報を利用して位
置検出を行っていることを特徴としている。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図である
。まずウエハ４面上のアライメントマーク５又はθｚス
テージ上のフィデユーシャルマーク２４の照明及びそれ
らのアライメントについて説明する。

【００１４】１は投影レンズであり、照明系（不図示）
からの露光光で照明したレチクル６面上の電子回路パタ
ーンをウエハ４面上に投影している。３はθｚステージ
であり、ウエハ４を載置している。２はＸＹステージで
あり、θｚステージ３を載置している。θｚステージ３
とＸＹステージ２とによりウエハ４を任意方向に駆動制
御している。５はアライメントマークであり、ウエハ４
面上に形成している。１６は光源手段であり、波長幅の
広い多色光を放射している。１５ａはバンドパスフィル
ターであり、例えば図２に示すような波長λ０　〜波長
λｎ　を透過する分光特性を有している。バンドパスフ
ィルター１５ａの透過波長域の中心波長λＣはウエハ４
面上に塗布するレジストに感光しない非露光波長となっ
ており、例えばＨｅ−Ｎｅレーザの発振波長と同じ６３
３ｎｍとなっている。

【００１５】１５は照明レンズであり、バンドパスフィ
ルター１５ａを通過した多色光束を集光している。１２
は波長選択部材であり、例えば図３に示すように基板１
２ｂに複数の色フィルターを１２ａ１〜１２ａ８をター
レット式に設けている。色フィルター１２ａ１〜１２ａ
８は例えば図４に示すような波長幅の狭い特定の分光特
性ｆ１　〜ｆ８　を有した光束を通過させている。１３
は駆動手段であり、波長選択部材１２を回動させて、所
定の色フィルターが光路上に位置するようにしている。

【００１６】１０はビームスプリッターであり、波長選
択部材１２の色フィルターを通過した特定の分光特性の
光束を対物レンズ９方向に反射させている。８は補正光
学系であり、投影レンズ１で発生する諸収差、例えばコ
マ収差や非点収差等を補正している。７はミラーであり
、ウエハ４面上のアライメントマーク５の観察像高でテ
レセントリックとなるように角度設定している。１１は
リレーレンズ、１４は撮像手段であり、例えばＣＣＤカ
メラ等から成っている。

【００１７】２１は干渉距離計用のバーミラーであり、
ＸＹステージ２面上に載置している。２２は干渉距離計
であり、ＸＹステージ２の移動量を計測している。２３
は制御装置であり、例えば干渉距離計２２からの信号に
基づいてＸＹステージ２を駆動制御している。

【００１８】２４はフィデユーシャルマークであり、θ
ｚステージ３面上に設けており、本実施例では図８に示
すように後述する各光学系で観察できるように複数の領
域８１，８２，８３に各々設けている。１つのフィデユ
ーシャルマーク２４ａは例えば図５に示すような４種類
のマーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄより成ってい
る。図５のフィデユーシャルマークは例えばクロムのよ
うな反射部材により描画しており、同図では例えば白い
領域が反射領域となっている。

【００１９】本実施例では光源手段１６からの多色光を
バンドパスフィルター１５ａで図２に示す波長λ０　〜
波長λｎ　の比較的広い波長域の光束を通過させている
。そして照明レンズ１５により集光し波長選択部材１２
の１つの色フィルター１２ａｉで図４に示す波長域の狭
い分光特性（ｆｉ）を有した光束を通過させている。そ
してビームスプリッター１０で反射させた後、順に対物
レンズ９、補正光学系８、ミラー７そして投影レンズ１
を介してフィデユーシャルマーク２４やウエハ４面上の
アライメントマーク５を照射している。そして例えばウ
エハ４面上のアライメントマーク５からの反射光は元の
光路を戻り、即ち順に投影レンズ１、ミラー７、補正光
学系８、対物レンズ９そしてビームスプリッター１０を
通過し、リレーレンズ１１により撮像手段１４に入射し
、その面上にアライメントマーク像を形成している。

【００２０】尚、本実施例では投影レンズ１からリレー
レンズ１１に至る間の各要素から成る光学系より発生す
る軸上色収差はバンドパスフィルター１５ａの中心波長
λＣを中心として収差の発生が定常的となるように補正
している。

【００２１】本実施例では光源手段１６から投影レンズ
１を介してウエハ４に至る光学系とウエハ４から投影レ
ンズ１を介して撮像手段１４に至る系より照明系を構成
している。

【００２２】次にレチクル６近傍に配置したレチクル基
準マーク３２，３２ａそしてウエハ面４の照明観察、そ
してアライメントについて説明する。

【００２３】３０，３０ａはファイバーであり、照明系
（不図示）からの露光光と略等しい波長の光束を射出し
、プリズム反射鏡３１，３１ａを介してレチクル６近傍
に配置したレチクル基準マーク３２，３２ａを照明して
いる。３３，３３ａはミラーであり、レチクル基準マー
ク３２，３２ａからの光束を反射させ対物レンズ３４，
３４ａに入射させている。ミラー３３（３３ａ）と対物
レンズ３４（３４ａ）は一体となってレチクル６と平行
な平面上を移動可能となっている。

【００２４】３５，３５ａはビームスプリッターである
。３６，３６ａはリレーレンズであり、ビームスプリッ
ター３５，３５ａを通過した光束を用いてＣＣＤカメラ
等の撮像素子３７，３７ａ面上にレチクル基準マーク３
２，３２ａの像を結像している。

【００２５】３９，３９ａはファイバーであり、照明系
（不図示）からの露光光と略等しい波長の光束を射出し
、観察用の照明レンズ３８，３８ａに入射させている。 同図においてはレチクル基準マーク３２，３２ａとレチ
クル６との間隔は対物レンズ２４の焦点深度内となるよ
うに設定している。

【００２６】本実施例では各要素３３〜３７（３３ａ〜
３７ａ）で光学系１０１（１０１ａ）を構成し、各要素
７〜１４で光学系１０２を構成している。

【００２７】レチクル基準マーク３２，３２ａはファイ
バー３０，３０ａから出射しプリズム反射鏡３１，３１
ａにより偏向した光束により透過照明している。レチク
ル基準マーク３２，３２ａを透過した光束はレチクル６
を通り、前述したミラー３３，３３ａ、対物レンズ３４
，３４ａ、ビームスプリッター３５，３５ａ、そしてリ
レーレンズ３６，３６ａを介して撮像素子３７，３７ａ
に入射し、その面上にレチクル基準マーク像を結像する
。これによりレチクル基準マーク像を観察している。 このときレチクル６とレチクル基準マーク３２，３２ａ
のパターン面は互いに対向している為に双者の同時観察
が可能となっている。

【００２８】又、ファイバー３９，３９ａから出射した
光束は照明レンズ３８，３８ａを通り、ビームスプリッ
ター３５，３５ａにより対物レンズ３４，３４ａ方向に
偏向している。その後、対物レンズ３４，３４ａ、ミラ
ー３３，３３ａを経てレチクル６、投影レンズ１を通り
ウエハ４面上に入射している。

【００２９】このとき光束がレチクル６を通過するよう
にレチクル６面上のパターンは光束が通過するように設
定している。又ウエハ４面上では入射光束が略テレセン
トリックになるように前述した各要素を調整している。

【００３０】ウエハ４面上で反射した光束は元の光路を
戻り、ビームスプリッター３５，３５ａを通過し、リレ
ーレンズ３６，３６ａを経て撮像素子３７，３７ａに入
射する。このとき撮像素子３７，３７ａとレチクルパタ
ーン面とウエハ４面とは光学的に互いに共役関係にある
。この為撮像素子３７，３７ａ面上ではレチクル面とウ
エハ面との双方の同時観察が可能となっている。

【００３１】次に本実施例においてベースライン（アラ
イメント位置と露光位置との距離）の計測手順について
説明する。 （イ）レチクル６面上のレチクルマークとレチクル基準
マーク３２，３２ａとの位置合わせが完了したときには
レチクル６の中心が投影レンズ１の光軸と一致するよう
に予めレチクル基準マーク３２，３２ａを調整して装置
本体に取付けておく。 （ロ）レチクルステージ（不図示）に載置したレチクル
６（レチクルマーク）とレチクル基準マーク３２，３２
ａを光学系１０１（１０１ａ）で観察し、レチクルマー
クとレチクル基準マークとの相対的位置ずれ量を検出す
る。 （ハ）位置ずれ量検出後、レチクルステージを駆動させ
てレチクルマークとレチクル基準マークとの位置合わせ
を行なう。これによりレチクルの中心と投影レンズ１の
光軸とを一致させている。 （ニ）フィデユーシャルマーク２４を投影レンズ１の下
にＸＹステージ２により移動させる。フィデユーシャル
マーク２４は図８のように各光学系１０１，１０１ａ，
１０２に対応して設けられており、同時に各々対応した
マークが観察されるように設定している。 （ホ）光学系１０１，１０１ａでレチクルマークとフィ
デユーシャルマーク２４の各マークとの相対的位置ずれ
量を検出し、該検出結果に基づいてＸＹステージ２を駆
動させることにより双方のマークの位置合わせを行なう
。ＸＹステージ２の移動量は干渉距離計２２により計測
している。 （ヘ）このとき光学系１０２の撮像素子１４面上に投影
されたフィデユーシャルマーク像の位置を計測する。こ
れによりベースラインの計測を行なっている。

【００３２】これ以後の焼き付けシーケンス時にはウエ
ハ４面上のアライメントマーク５が撮像手段１４面の所
定位置にくるようにして、これによりアライメントを行
なっている。

【００３３】次に本実施例の位置検出方法（アライメン
ト方法）について説明する。

【００３４】本実施例ではウエハ４面上のアライメント
マークの計測及びウエハ面への露光を行なう前に定期的
にアライメン位置と露光位置との距離（ベースライン）
の経時的変動の測定及び補正を行なっている。測定用の
マークとしては前述した図５のフィデユーシャルマーク
２４を用いている。フィデユーシャルマーク２４のピン
トは不図示のセンサーで計測し補正している。撮像手段
１４面上に結像したフィデユーシャルマーク２４の投影
波形は例えば図６に示すように各々マーク５１ａ〜５１
ｄに各々対応して波形６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ
のようになっている。

【００３５】本実施例では４種類のマーク５１ａ〜５１
ｄに対して照明系の波長選択部材１２の色フィルター１
２ａ１〜１２ａ８を介して順次照明し、撮像手段１４面
上における位置を測定する。このときＸＹステージ２は
停止した状態でいるように干渉距離計２２でモニターし
ておく。各マーク５１ａ〜５１ｄにおける色フィルター
１２ａ１〜１２ａ８を介したときの計測値、即ち特定の
分光特性による計測値は、例えば制御装置２３内のメモ
リ手段に記憶しておく。このときの計測値は次のベース
ライン計測までは変化しないものとして扱っている。 又、それと同時に例えば図５のマーク５１ａを測定した
際、マーク測定に使用するマーク近傍の領域における明
るさ、例えば撮像手段１４からの出力も各色フィルター
毎にメモリ手段に記憶しておく。メモリ手段からの計測
値を基にフィデユーシャルマーク２４の位置Ｍを次式よ
り算出している。

【００３６】

【数１】 但し、Ｉｉは色フィルター１２ａｉでフィデユーシャル
マーク２４を照明したときのフィデユーシャルマークか
らの反射光量、ｍｉは色フィルター１２ａｉで照明した
ときのフィデユーシャルマークの撮像手段１４面上にお
ける位置計測値である。（１）式で求めた位置Ｍをベー
スライン補正に使用する。例えばフィデユーシャルマー
ク２４からの反射光量Ｉが各色フィルター１２ａ１〜１
２ａ８毎に図７に示すようなｆ１　〜ｆ８　の値の場合
、（１）式を適用して位置Ｍを求めている。

【００３７】次にウエハ４面上のアライメントマーク５
の撮像手段１４面上における位置検出を行なう。ウエハ
４面上のアライメントマーク５に関しても波長選択部材
１２の各色フィルター１２ａ１〜１２ａ８を通過した光
束における撮像手段１４面上の位置計測値Ｗｉと明るさ
Ｌｉを求める。

【００３８】アライメントマーク５の位置検出を行なう
場合、光学系の収差の他にウエハ自体がもつ段差、反射
率、そしてレジスト等が計測値に影響を与える。

【００３９】本実施例では収差の影響をアライメントマ
ーク計測値より除去する為に先に求めて、メモリ手段に
記憶しておいたフィデユーシャルマーク２４の計測値の
うち各色フィルター毎に投影波形が一番類似しているマ
ークの計測値を補正の為の数値として用いて次の処理を
行なっている。

【００４０】

【数２】 但し、Ｌｉは色フィルター１２ａｉでウエハ面上のアラ
イメントマークを照明したときのウエハアライメントマ
ークからの反射光量、ｍａはフィデユーシャルマークで
の測定値ｍｉの平均値である。

【００４１】本実施例では以上の方法により投影レンズ
を介して多色光でウエハ面上のアライメントマークを照
明したときの撮像手段面上における位置検出の際の投影
レンズの収差の影響による計測誤差を少なくしている。

【００４２】このような計測は例えばロットの第１枚目
のウエハに対して行なうようにすればスループットの実
質的な低下は殆ど無視することができる。尚、本実施例
において波長選択部材１２をリレーレンズ１１と撮像手
段１４との間に配置しても前述と同様の効果を得ること
ができる。

【００４３】本発明において位置検出用の観察系の収差
補正をした波長からアライメントマークの照明用の波長
が離れてくると収差量が増加し計測精度が悪化してくる
。そこで前述の（２）式に計測精度が低下する波長域の
色フィルターの寄与が少なくなるように重みをかけるの
が良い。例えばａｉを各色フィルター１２ａｉを用いた
ときの照明時のアライメントマークの計測精度としたと
き

【００４４】

【数３】 とするのが良い。

【００４５】又、本発明において波長選択部材として分
光透過率が連続的に変化する１枚又は２枚の円板状フィ
ルターを用いても良い。これによれば波長選択部材を小
型に構成することができる。

【００４６】又、本発明においては光源手段に波長を連
続的に変化、選択することができる、例えば色素レーザ
を用いても良い。この場合は色素レーザは波長選択手段
に相当する。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば波長幅の広い多色光を用
いて所定面上の基準位置とウエハ面上のアライメントマ
ークとの相対的な位置検出を行なう際に前述の如く分光
特性（スペクトル分布）の異なる複数の光束より得られ
る位置情報を利用することにより、投影レンズの色収差
の影響を少なくし、高い検出精度を有した位置検出装置
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の実施例１の要部概略図

【図２】　
　図１のバンドパスフィルターの分光特性の説明図

【図３】　　図１の波長選択部材の説明図

【図４】　　
図３の色フィルターの分光特性の説明図

【図５】　　図
１のフィデユーシャルマークのマーク説明図

【図６】　　図５のマークからの出力信号波形図

【図７
】　　図３の各色フィルターでマークを照明したときの
反射光量の説明図

【図８】　　図１のフィデユーシャルマークの概略図

【符号の説明】

１　　　　投影レンズ ２　　　　ＸＹステージ ３　　　　θｚステージ ４　　　　ウエハ ５　　　　アライメントマーク ６　　　　レチクル ７　　　　ミラー ８　　　　補正光学系 ９　　　　対物レンズ １０　　ビームスプリッター １１　　リレーレンズ １２　　波長選択部材 １３　　駆動手段 １４　　撮像手段 １５　　照明レンズ ２３　　制御装置 ３２　　レチクル基準マーク ３２ａ　　レチクル基準マーク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１物体面上のパターンを第２物体面
   上に投影する投影レンズを介して所定面上の基準位置と
   該第２物体面上に形成したアライメントマークとの相対
   的な位置検出を行う際、波長域可変の波長選択部材を有
   した照明系を用いて互いに異なる分光分布を有した複数
   の光束に基づくアライメントマーク像を、該所定面上に
   順次形成し、該所定面上に形成した該複数の光束に基づ
   くアライメントマーク像に対する位置情報を各々メモリ
   手段に記憶し、該メモリ手段に記憶した該複数の位置情
   報を利用して位置検出を行っていることを特徴とする位
   置検出装置。