JPH08115873A - 位置合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レチクルとウエハとの相対的な位置合わせを
高精度に行うことのできる位置合わせ装置を得ること。 【構成】 第１物体と第２物体との相対的な位置合わせ
を行う際、照明手段で照明した該第２物体面上のアライ
メントマークを観察手段で観察し、該観察手段で観察し
た該第２物体面上のアライメントマークの位置計測を行
う第１検出手段と、該第２物体を該観察手段の光軸方向
に駆動させる駆動手段と、該観察手段で観察している該
第２物体面上の該観察手段の光軸方向の位置を検出する
第２検出手段と、該第１検出手段による位置計測時にお
ける該観察手段のフォーカスから観察時のデフォーカス
量を検知し、該検知したデフォーカス量から位置計測補
正量を算出して位置計測値を補正する演算手段とを利用
していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置合わせ装置に関し、
特に半導体製造用の露光装置において第１物体としての
マスク面やレチクル面（以下『レチクル面」という。）
マスク上に形成されているＩＣ，ＬＳＩ等の微細な電子
回路パターンを第２物体としてのウエハーとの相対的な
位置合わせ（アライメント）を行う為の位置合わせ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体製造用の投影露光装置に
おいては、集積回路の高密度化に伴いレチクル面上の回
路パターンをウエハー面上に高い解像力で投影露光でき
ることが要求されている。回路パターンの投影解像力を
向上させる方法としては、例えば露光光の波長を固定に
して投影光学系のＮＡを大きくする方法や露光波長をｇ
線からｉ線へと短波長の光束を用い、又はエキシマレー
ザーから発振される波長２４８ｎｍ，１９３ｎｍ等の短
波長の光を用いる方法等が多くとられている。

【０００３】一方、回路パターンの微細化に伴い電子回
路パターンの形成されているレチクルやマスクとウエハ
ーを高精度にアライメントすることが要求されてきてい
る。レチクルとウエハーの位置合わせを行う際にウエハ
ー面上に塗布されたレジストを感光させる光（露光光）
と感光させない光（以下「非露光光」という。）、例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザーからの波長６３３ｎｍの光を用い
る方法がある。

【０００４】本出願人は非露光光を用いた位置合わせ装
置と、例えば特開昭６３−３２３０３号公報や特開平２
−１３０９０８号公報等で提案している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般にウエハー面上に
設けたアライメントマークの位置情報を観察手段で観察
し、そのアライメントマークの位置情報を検出手段で検
出して、ウエハーとレチクル（又は観察手段の基準点）
との位置合わせを行う方法においてはウエハー面が局所
的に形状変化をしているとアライメントマークの位置情
報の高精度な検出が難しくなり、位置合わせ精度が低下
してくる。

【０００６】又ウエハー面が所定の位置、例えば投影光
学系を介して位置合わせを行うＴＴＬアライメント方法
を用いるときには投影光学系の光軸方向のベストピント
面に位置していないとデフォーカス特性の影響を受けて
位置合わせ精度が低下してくるという問題点がある。

【０００７】本発明は、ウエハー面の局所的な形状変化
又は／及びデフォーカス特性の悪影響を受けることなく
レチクルとウエハーとを高精度に位置合わせをすること
のできる位置合わせ装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の位置合わせ装置
は、第１物体と第２物体との相対的な位置合わせを行う
際、照明手段で照明した該第２物体面上のアライメント
マークを観察手段で観察し、該観察手段で観察した該第
２物体面上のアライメントマークの位置計測を行う第１
検出手段と、該第２物体を該観察手段の光軸方向に駆動
させる駆動手段と、該観察手段で観察している該第２物
体面上の該観察手段の光軸方向の位置を検出する第２検
出手段と、該第１検出手段による位置計測時における該
観察手段のフォーカスから観察時のデフォーカス量を検
知し、該検知したデフォーカス量から位置計測補正量を
算出して位置計測値を補正する演算手段とを利用してい
ることを特徴としている。

【０００９】特に、前記演算手段は前記第２物体上のシ
ョット内の複数点においてフォーカス計測を行い、ショ
ット内の局所的な形状変化を算出し、該算出した形状よ
り前記観察手段における観察点におけるベストフォーカ
ス位置を外挿により算出していることを特徴としてい
る。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図はウエハー（第２物体）上に塗布したレジスト
を感光させない光（以下「非露光光」という。）、例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザーからの６３３ｎｍの波長の光を用
いて投影レンズを介し（ＴＴＬ方式）、ウエハー上のア
ライメントターゲット（アライメントマーク）を検出す
る方法を投影露光装置に適用したときの要部概略図を示
している。

【００１１】同図において、４は照明系であり、露光光
で回路パターンが形成されているレチクル（第１物体）
３を照明している。投影レンズ２はレチクル３面上の回
路パターンをウエハー１面上に１／１０又は１／５に縮
小投影している。１ａはウエハー１面上のアライメント
マークである。

【００１２】次にアライメントマーク１ａの位置情報を
検出し、レチクル３又は観察手段との相対的な位置合わ
せ（アライメント）を行う方法について説明する。

【００１３】４０は第１検出手段としての位置合わせ顕
微鏡（顕微鏡）であり、ウエハー１面上のアライメント
マーク１ａの投影光学系２の光軸と垂直面内（ｘ，ｙ面
内）での位置情報を検出している。

【００１４】光源を含む照明光学系１１から出射した光
束はビームスプリッター７で反射し、順に補正光学系
６、ミラー５、縮小型の投影レンズ２を経てウエハー１
上にあるアライメントマーク１ａを照明する。ウエハー
１上のアライメントマーク１ａによって反射した信号光
は、再び順に投影レンズ２、ミラー５、補正光学系６を
経てビームスプリッター７に入射する。

【００１５】ビームスプリッター７に入射した信号光は
ビームスプリッター７を透過し、ミラー８、リレー光学
系９を経て撮像素子、例えばＣＣＤカメラ１０の撮像面
１０ａに入射し、その面上にウエハー１上のアライメン
トマーク１ａの像を結像する。ＣＣＤカメラ１０からの
アライメントマーク像に基づく画像信号を回線を通じコ
ンピューター（演算手段）５１に入力している。コンピ
ューター５１はアライメントマーク像の位置情報を計測
している。このときアライメントマーク１ａの位置を顕
微鏡４０内にある基準マーク（不図示）との相対ずれ量
として計測している。

【００１６】ウエハー１はウエハーチャック２１上に載
置されている。ウエハーチャック２１はθ−Ｚステージ
（駆動手段）２２上に載置され、ウエハー１をチャック
表面に吸着することにより、各種振動に対しウエハー１
の位置がずれないようにしている。θ−Ｚステージ２２
はチルトステージ２３上に載置され、ウエハー１をフォ
ーカス方向（投影レンズ２の光軸方向）に上下動させて
いる。

【００１７】チルトステージ２３はＸＹステージ２４上
に載置され、ウエハー１の反りを投影レンズ２の像面に
対し、最小になるように補正している。又チルトステー
ジ２３独自でフォーカス方向に駆動することも可能とな
っている。チルトステージ２３上に載置したバーミラー
２５とレーザー干渉計２６によりＸＹステージ２４の駆
動量をモニターしている。レーザー干渉計２６は回線を
通じコンピューター５１に駆動量に関する計測値を転送
している。

【００１８】フィデューシャルマーク２７はθ−Ｚステ
ージ２２上に載置され、そのパターン面はウエハー１の
表面と同一平面上になるように調整している。投影レン
ズ２に対するウエハー１面の光軸方向の位置の計測系、
即ち投影レンズ２に対するアライメントフォーカス用の
フォーカス計測系（第２検出手段）は、光束を放射する
投光系３１及びウエハー１からの反射光の位置情報を検
出する検出系３２から構成されている。投光系３１と検
出系３２とも全体として５個ずつ搭載されている。これ
ら５つの投光系と検出系（不図示）は、例えば図３に示
すようにショット内の５つの領域１１０〜１１４でフォ
ーカス方向の位置を検出している。

【００１９】これにより投影レンズ２のフォーカス以外
に投影レンズ２の像面に対するショットの面の傾きを検
出し、該検出結果を用いてチルトステージ２３でその量
を補正している。ウエハー１面のフォーカス測定後、検
出系３２から回線を通じコンピューター５１に計測値を
転送している。尚フォーカスの測定点は図３に示すショ
ット中心の領域１１０（投影レンズ２の光軸上の点）で
ある。

【００２０】本実施例ではレチクル３とウエハー１との
位置合わせ方法としては、精度及びスループットの面か
らグローバルアライメントを用いている。即ちウエハー
１内の数ショットのアライメントマークを計測し、ショ
ットの配列格子の倍率、直交度を求め、その算出した配
列格子に基づきＸＹステージ２４を駆動し、レチクルパ
ターン３ａをウエハー１上に露光していく方法を用いて
いる。

【００２１】図４はウエハー１上に形成されているショ
ットの配列格子の説明図である。同図において黒色で示
してあるショット１０１，１０２，１０３，１０４はア
ライメント計測ショットの一例である。一般の投影露光
装置においてはグローバルアライメントを次のようにし
て行っている。

【００２２】プリアライメント実施後、投影レンズ２の
下に送り込まれたウエハー１はショット配列格子の算出
の為のアライメント計測に入る前に、計測ショット内の
数ショットで位置合わせ顕微鏡４０に対するベストピン
ト面の検出を行う。その際、ベストピント面は位置合わ
せ顕微鏡４０におけるアライメントマーク１ａの見えの
コントラストをフォーカスを振りながら計測し、そのう
ち一番高いところ、あるいはコントラストカーブの重
心、スライス等で求める。そのベストピント面における
θ−Ｚステージ２２のＺ位置をフォーカス計測系（３
１，３２）でモニターする。このとき使用するフォーカ
ス計測系は５個のフォーカス計測系中ショット中心を計
測する図３の領域１１０を計測するものである。

【００２３】その後アライメント計測用の角ショット１
０１，１０２，１０３，１０４中に配置されているアラ
イメントマークの位置を位置合わせ顕微鏡４０にてＸ，
Ｙ両方向に関し、計測する。そしてこの各ショットにお
ける計測値の平均値をオフセットとしてフォーカスを補
正する。あるいはベストピント面の検出を行わず所定の
フォーカスオフセットを予め設定しておき、位置計測時
にそのオフセットを反映してフォーカスを補正する。

【００２４】アライメント計測の終了後、その各計測値
は回線を通じコンピューター５１に転送する。そこにお
いて被計測のウエハーにおけるショットの配列格子のウ
エハー倍率、直交度等を算出する。レチクル３面上の電
子回路パターンをウエハー１に転写する際、算出された
ウエハー倍率及び直交度に応じてウエハーステージ２１
あるいはレチクルステージを駆動し、逐次露光を行って
いく。

【００２５】各計測ショットのアライメントフォーカス
をフォーカス計測系３１，３２で計測し、θ−Ｚステー
ジ２２にてフォーカス方向の補正駆動を行う際にフォー
カス計測系での測定においてショットの中心（投影レン
ズ２の光軸上の点）でのみ行い、アライメントマーク上
を直接計らないと、あるショット内において局所的なウ
エハー形状の変形又は実素子ウエハーの場合、検出する
アライメントマーク上に積まれた半透明金属膜厚及びレ
ジスト膜厚等によりベストピント面が変化してくる。こ
の結果、他のショットのフォーカス位置と異なる場合、
そのショットにおけるアライメントマーク計測時にはデ
フォーカスした状態で位置計測を行うことになる。

【００２６】更にそのとき位置合わせ顕微鏡４０の組み
立て誤差あるいは何らかの経時変化により、例えば図５
に示すようにアライメントマークの照明光束とウエハー
面のなす角度が垂直でない角度θの場合、＋側にＤ₊ μ
ｍデフォーカスでΔ₁ 、−側にＤ_- μｍデフォーカスで
Δ₂ というようにアライメントマーク位置計測値がずれ
る。

【００２７】 即ち、 ＋側が１μｍデフォーカスあたり、Δ₁ ／Ｄ₊ −側が１μｍデフォーカスあたり、Δ₂ ／Ｄ_- だけアライメントマーク計測値がデフォーカス量に対し
依存性（以下「デフォーカス特性」と呼ぶ。）を持って
しまう。

【００２８】このデフォーカス特性は上記の現象だけで
なく、位置合わせ顕微鏡４０に残存しているコマ収差、
信号処理系（電気系）の周波数特性、実素子プロセスウ
エハーの状態（レジスト膜厚、反射率ｅｔｃ）が原因と
なり生じることもある。

【００２９】このようにデフォーカス特性を持ち、かつ
グローバルアライメントの実施時、数ショットにおいて
デフォーカスした状態でウエハー面の位置計測を行うと
誤計測したショットが発生し、その計測値が異常値とし
て除去されない限り、その計測値もショット配列格子の
算出に加えられる為、算出された配列格子が実際と合わ
なくなりアライメントずれが生じてしまう。

【００３０】そこで本実施例では各ショットのアライメ
ントマーク位置の計測時にフォーカスを常にベストピン
ト位置に補正し、デフォーカス特性の影響を除去してい
る。あるいはデフォーカス特性を予め測定しておき、即
ち位置計測補正量を求めておき、位置計測時のフォーカ
ス位置と予め求めたベストピント面との差だけウエハー
面の位置計測値のデフォーカス依存性の分、アライメン
ト計測値を補正するようにしている。

【００３１】次に本実施例においてアライメント計測値
を補正する方法を図２のフローチャートを用いて説明す
る。

【００３２】プリアライメント実施後、投影レンズ２の
下に送り込まれたウエハーはショット配列格子の算出の
為のアライメント計測に入る前に全計測ショットで位置
合わせ顕微鏡４０に対するベストピント面の検出を行
う。その際、ベストピント面は位置合わせ顕微鏡４０に
おけるアライメントマークのコントラストをフォーカス
を振りながら計測し、そのうち一番高いところ、あるい
はコントラストカーブの重心、スライス等で求める。そ
のベストピント面におけるθ−Ｚステージ２２のＺ位置
をフォーカス計測系（３１，３２）で計測する。各ショ
ットのフォーカス計測値は各ショットのアライメントフ
ォーカスのオフセットとして装置内にメモリーされる。
このとき使用するフォーカス計測系は５個のフォーカス
計測系中、ショット中心を計測する図３の領域１１０を
計測するものである。

【００３３】ベストピント面の検出がすべてのショット
において終了した後、アライメント計測に入る。このと
き各ショットにおけるアライメント計測のフォーカスは
上記で求めたフォーカス位置に補正する。これによりウ
エハー１の局所的な形状変形の影響を受けることなく、
常にベストピントでアライメント計測を行っている。又
これによりデフォーカス特性の影響を受けることなく、
正確なショット配列格子が算出でき、高精度なアライメ
ントを行っている。

【００３４】次に本発明の実施例２に係るアライメント
方法について説明する。本実施例に係る装置は図１に示
すものを用いている。実施例１ではアライメント計測
時、θ−Ｚステージ２２を逐次駆動し補正していたが、
この方法だとθ−Ｚステージ２２の駆動分だけスループ
ットが低下してくる。

【００３５】そこで本実施例ではこのスループットの低
下を避けている。まず予めフィデューシャルマーク２７
上のマークでデフォーカス特性ΔＸを測定しておき、 ΔＸ＝ｆ（Ｚ） ‥‥‥（１） というテーブルとして装置内にメモリーしておく。フィ
デューシャルマーク２７で測定する場合、ベースライン
計測のように定期的に行い、自動的にテーブルを書き換
えるようにしておけば管理も容易となる。

【００３６】デフォーカス特性テーブルの作成後、以下
の手順でアライメント計測を行う。プリアライメント実
施後、縮小投影レンズ２下に送り込まれたウエハーはシ
ョット配列格子の算出の為のアライメント計測に入る前
に全計測ショットで位置合わせ顕微鏡４０に対するベス
トピント面の検出を行う。その際ベストピント面は位置
合わせ顕微鏡４０におけるアライメントマークのコント
ラストをフォーカスを振りながら計測し、そのうち一番
高いところ、あるいはコントラストカーブの重心、スラ
イス等で求める。そのベストピント面におけるθ−Ｚス
テージ２２のＺ位置をフォーカス計測系（３１，３２）
で計測する。各ショットのフォーカス計測値は各ショッ
トのアライメントフォーカスのオフセットとして装置内
にメモリーされる。このとき使用するフォーカス計測系
は、５個のフォーカス計測系中、実施例１と同様にショ
ット中心を計測する図３の領域１１０を計測するもので
ある。

【００３７】ベストピント面の検出がすべてのショット
において終了した後、アライメント計測に入る。このと
き各ショットにおける計測のフォーカスは上記で求めた
各ショットの平均フォーカス位置Ｚ₀ に補正する。その
為各ショットにおけるベストピント面の位置をＺ_i とす
ると、各ショットにおいてＺ_i −Ｚ₀ だけデフォーカス
した状態でアライメント計測をしていることになる。そ
こで上記で求めたテーブル（１）式から ΔＸ_i ＝ｆ（Ｚ_i −Ｚ₀ ） ‥‥‥（２） を算出する。ここでΔＸ_i は各ショットにおけるデフォ
ーカス特性の影響分である。このΔＸ_i をアライメント
計測値から差し引いてデフォーカス特性の影響のないア
ライメント計測値を得ている。

【００３８】本実施例ではアライメント計測時、各ショ
ットにおいてθ−Ｚステージ２２によるフォーカス補正
を行わなくて済む為、スループットが向上する。

【００３９】本実施例では以上のような構成によりデフ
ォーカス特性の影響を受けることなく、正確なショット
配列格子が算出でき、かつスループットの高い高精度な
アライメントを行っている。

【００４０】次に本発明の実施例３に係るアライメント
方法について説明する。本実施例に係る装置は図１に示
すものを用いている。

【００４１】実施例２ではデフォーカス特性のテーブル
作成をフィデューシャルマーク２７を用いて作成した。
しかしながら、一般にウエハー面内にレジストや半透明
金属膜の膜厚むら等が生じた場合、デフォーカス特性が
全てのショットで同じとは限らない。

【００４２】そこで本実施例では最初のテーブル作成時
に実素子ウエハーを用いてテーブルを作成する場合に
は、 （ａ）代表的なショット（例えばウエハー中心ショッ
ト） （ｂ）ウエハー内の任意あるいは特定の数ショット （ｃ）グローバルアライメントの全サンプルショット で測定し、（１）式のような形として持つようにしてい
る。

【００４３】本実施例において複数ショットで測定しテ
ーブルを作成する場合、その複数ショットの平均値をテ
ーブルとしても良いし、又各ショットでテーブルを持っ
ていても良い。各ショットでテーブルを持つ場合、
（ｂ）の時には計測した複数のショットとアライメント
計測するショットの距離を重み関数としてアライメント
ショットのデフォーカス特性のテーブルを算出する。
（ｃ）の時には各ショットでテーブルを持つ。ただし
（ｂ），（ｃ）とも全ての計測ショットで同じようなテ
ーブルならば平均値を使用したり、代表的なショットの
テーブルで全ショットのテーブルとしても良い。

【００４４】アライメント計測時のフォーカス位置は各
ショットにおけるフォーカス計測値の平均値に設定して
おく。各ショットにおけるアライメント計測時のデフォ
ーカス量に対し、先に求めたデフォーカス特性分だけア
ライメント計測値に加算する。この処理を行うことによ
り、位置合わせ顕微鏡４０のベストピント面で測定した
ことと同じになり、なおかつスループットの低下を招く
ことなく高精度なアライメントを行っている。

【００４５】次に本発明の実施例４に係るアライメント
方法について説明する。本実施例に係る装置は図１に示
すものと同じである。本実施例では位置合わせ顕微鏡４
０のフォーカス位置を５つのフォーカス計測系の結果か
ら外挿し、求めている。そして求めたフォーカス位置に
補正する、又はそのアライメント時のフォーカスと求め
たフォーカスとの差をアライメントする際に参照するこ
とによりウエハーの局所的な形状変形の影響を少なくし
て高精度な位置合わせを達成している。

【００４６】更に予めウエハー全体の形状を測定するこ
とにより、周囲のショットとの関係もわかる為、これに
より外挿精度を高めている。尚以上の各実施例ではグロ
ーバルアライメントを例にとり記載したが、本発明はア
ライメントの方式、位置合わせ顕微鏡の配置方式等に何
ら制限を加えるものではなく、例えばダイバイダイ、Ｔ
ＴＲのアライメント、またＴＴＬ ｏｎ ＡＸＩＳやＴ
ＴＬでないＯＦＦ−ＡＸＩＳにも適用できる。

【００４７】又本発明においてはアライメントを各ウエ
ハーごと行っても良いし、数枚おきあるいは１ロットに
１枚というように行っても良い。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、ウエハー面の局所的な形状変化又は
／及びデフォーカス特性の悪影響を受けることなくレチ
クルとウエハーとを高精度に位置合わせをすることので
きる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】

【図１】本発明の実施例１の要部概略図

【図２】本発明の実施例１の動作のフローチャート

【図３】図１の一部分の説明図

【図４】図１の一部分の説明図

【図５】デフォーカス特性の説明図

【符号の説明】

１ ウエハー ２ 縮小投影レンズ ３ レチクル ４ 照明光学系 ５，８ ミラー ６ 補正光学系 ７ ビームスプリッター ９ リレー光学系 １０ ＣＣＤカメラ １１ 光源及び照明光学系 ２１ ウエハーチャック ２２ θ−Ｚステージ ２３ チルトステージ ２４ ＸＹステージ ２５ バーミラー ２６ レーザー干渉計 ３１ フォーカス計測系（投光系） ３２ フォーカス計測系（検出系） ４０ 位置合わせ顕微鏡 ５１ コンピューター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体と第２物体との相対的な位置合
   わせを行う際、照明手段で照明した該第２物体面上のア
   ライメントマークを観察手段で観察し、該観察手段で観
   察した該第２物体面上のアライメントマークの位置計測
   を行う第１検出手段と、該第２物体を該観察手段の光軸
   方向に駆動させる駆動手段と、該観察手段で観察してい
   る該第２物体面上の該観察手段の光軸方向の位置を検出
   する第２検出手段と、該第１検出手段による位置計測時
   における該観察手段のフォーカスから観察時のデフォー
   カス量を検知し、該検知したデフォーカス量から位置計
   測補正量を算出して位置計測値を補正する演算手段とを
   利用していることを特徴とする位置合わせ装置。
2. 【請求項２】 前記演算手段は前記第２物体上のショッ
   ト内の複数点においてフォーカス計測を行い、ショット
   内の局所的な形状変化を算出し、該算出した形状より前
   記観察手段における観察点におけるベストフォーカス位
   置を外挿により算出していることを特徴とする請求項１
   の位置合わせ装置。