JPS62261004A - 対象物整列方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は２個の対象物を整列させる技術に関する。

Ｂ、従来の技術及び間頑点 最近の製造技術は、２個の対象物を相互に正確に整列さ
せることを必要とする。この必要性は、例えば高密度の
集積回路の製造の際に使われる光学的リソグラフにとっ
て極めて重要である。既に存在する目的物上の構造に対
してマスクを整列させる精度は、限定されるべき最小寸
法の約１／１゜でなければならないので、線の幅が１マ
イクロメータ以下にまで狭められている現在、この要件
を通常の整列技術で満たすことは困難である。高精度で
整列させる他の困難は、ウェハの寸法が大きくなったこ
と（約１２７　ｔｎｍ又はそれ以上）によって惹起され
、それは、個々のチップ領域の像をウェハに転写するた
め、区切られた繰返し工程（ｓｔｏｐ−ａｚｌｄ−ｒｅ
ｐｅａｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　）を必要とするからである
。

従って、製造プロセス中の加熱処理によって生ずる大き
な寸法のウェハの歪みを補償するため、各チップ領域の
像は、個別的に整列されなければならない。高度の処理
能力に対応するためには、そのような個々の整列ステッ
プは数分の１秒よりも長い時間を費してはならず、この
ことが所定の高精度の達成を困難にする。

従って、種々の方式の自動的な整列方法が提案されて来
た。その一つとして、マスク上の整列マークがウェハ上
の対応するマーク上に結像される如きイメージ処理技術
がある。この像のデジタル評価は整列データを生ずるけ
れども、高品質の光学システムと、被着される層によっ
て妨害されることのない明瞭なウェハのマークを必要と
する。

また、十字形とか山形などの月並なマークを置き侠える
周期的に並べられた整列マークが提案されて来た。格子
の形状は変位の正確な情報を生じ、そして、格子を構成
する個々の線の憂乱に比較的鈍感である。「新しい干渉
による整列技術Ｊ　　（Ａｎｅｗ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏ
ｍｅｔｒｉｃ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕ
ｅ　）と題するフランダース（Ｆｌａｎｄｅｒｓ　）及
びスミス（Ｓｍ１ｔｈ　）による論文において、同じ形
の格子をマスク及びウェハの両方に設けることが記載さ
れている。この技術によると、対称的な回折の成分が同
じ照度を示したならば、これら二つの格子が相対的に整
列されていることが示される。然しなから、相対的な照
度の測定は光学システムの精密な制御を必要とし、加え
て、この方法は近接したプリントにのみしか適用するこ
とが出来ない。

１９６９年のＳＰ工ＥのＶｏｌ、　１７４　の６３頁に
記載された「近接して投影したプリントにおける自動整
列のためのキーとしての回折用格子」　（Ｄｉｆｆｒａ
ｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇｓ　ａｓ　ｋｅｙｓ　ｆｏ
ｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ａｌｉｇｎｍ−ｅｎｔ　ｉｎ
　ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ
　ｐｒｉｎｔｊｘｇ　）と題するクラインクネヒト　（
ＫｌｅｊＪｌに！１ｅｃｈｔ　）の論文において、新し
い回折の成分が整列して現われるように、マスク格子が
ウェハ格子の格子定数の半分を持つことが記載されてい
る。従って、この方法もまた、照度の測定に基礎を置い
ている。

欧州特許出願第４５３２１号は重なりを測定する技術を
開示しており、格子が置き換えられたときに生ずる位相
差を測定することが記載されている。この技術によると
、重なりを測定するために、一方の格子が基準格子に隣
接したマスクから発生される、ウェハ上の２個の格子が
評価される。この技術は集積回路製造用としての整列プ
ロセスには適当ではない。

Ｃ９問題点を解決するための手段 従って本発明の目的は、高精度、高速度で整列を行うこ
とができ、且つ、製造上の制約を受けないような整列方
法を提供することにある。

る２つの対象物を、前記第１の光学的格子に光ビームを
当てて光学系における共役な面に整列させる方法であっ
て、前記第１の光学的格子からの対称的な回折光を前記
第２の光学的格子に結像し、前記第１の光学的格子から
の対称的な回折光間の位相差を周期的に変化せしめ、前
記第１の光学的格子からの前記回折光と前記第２の光学
的格子からの回折光との位相差を測定するようにしたこ
とを特徴としている。

以下、本発明の作用を幾つかの実施例と共に説明する。

Ｄ、実施例 はじめに実施例の概略を説明する。

本発明は、マスク及びウェハが光学的に共役な２つの面
に配置されているリングラフ照射システムに適用される
。本発明に従って、光透過型の格子（ｇｒａｔｉｎｇ　
）　（以下格子という）がマスクに与えられ、且つ例え
ばレーザのような平方光線により照射される。従って、
例えば±１次のような２つの対称的な回折の成分が光学
的な結像システムによって、光学的格子に関して一つの
共通の地点に収束される。この一つの共通の地点はウェ
ハ上に与えられており、且つマスクの格子の像と同じ格
子定数を持っている。投射されたこの２つの回折成分は
ウェハ格子の処で再度回折されて、光軸に沿って戻り、
そして、半透明ミラーによって、光検出器の方へ反射さ
れる。光検出器の出力は回折された２つのビームの間の
相対的な位相差を測定するのに使われる。この目的のた
めに、マスクの処で回折された２つのビームの位相は、
例えば、マスク格子と直列に配列されている振動する薄
いガラス板によって、３段階で周期的に変化される。

本発明の整列方法の１実施例では、２次元の同時整列を
可能とするため、マスク及びウェハに縦横の格子を用い
てＹ方向に回折されたビームの偏光面を回転することに
よって、これらのビームが偏光ビーム分割器で分離され
、別個の２つの光検出器に差し向けられる。

実際の整列状態が測定された後、ガラス板（すなわち回
転の垂直軸に対して存する２個のガラス板）を傾斜させ
ることによって、他の機械的な移動を行うことなく、整
列の微調節を達成することが出来る。

本発明によれば２５ミクロンまでの非常に高い整列の精
度で０．１秒程度の非常に短時間の整列調節ができる。

これは高い処理能力を有する、区切られた繰り返し工程
（５ｔｏｐ−ａｎｄ−ｒｅｐｅａｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　
）を有するシステムに対して特に有利である。整列はＸ
方向及びＹ方向で行うことが出来る。本発明はマスクと
ウェハとの間の距離には依存しないので、本発明はあら
ゆる光照射システムに適用することが出来、更に、ウェ
ハ格子の・上に他の層が被着されて、格子の一部が若干
劣化したとしても、良好な整列信号を発生することが出
来る。本発明の整列用ビームの光線路は従来の光学シス
テムの周辺に配置することが出来るので、本発明によれ
ば照射光線を歪ませることなく、従来の装置に組み入れ
ることが出来る。

以下、図面を参照して実施例を詳細に説明する。

第１図はホトリングラフ・システムの主要部を示してお
り、そして、光学系７によって、光感知層で被われたウ
ェハ８上に結像されているホトリソグラフ用のマスク３
を、露光用の光ビーム１が照射している状態を示してい
る。本発明の実施例におけるマスク６は、格子定数がｇ
　で１００ミクロン×１００ミクロンの寸法を有する直
線型格子３ａを含んでいる。この格子は、透明マスク基
板上でクロームのパターンによって実現することが出来
る。この格子はチップの領域の間にある切断すべき領域
に置かれるのが好ましい。

ビーム１でマスク３を露光する前に、格子３ａは、格子
３ａの像が格子８ａと合致するように、ウェハ８上の格
子８ａに対して整列されねばならない。従って、ウェハ
の格子８ａの格子定数ｇｗは光学系７の倍率に従って選
ばれている。１：１の光学系の場合、格子定数〜は格子
定数ｇｗに等しい。

ウェハの格子は、二酸化シリコン層上のホトレジストで
被われたウェハ上にマスク格子を結像しその後ホトレジ
ストを蝕刻することによって形成するのが好ましい。

本発明に従った自動整列システムにおいて、格子３ａは
、対称的な回折成分を発生するために、レーザビーム２
によって照射される。最初の２つの対称的な回折の成分
は、第１図でＵｏ−１及びＵ０＋１で示されたように選
択される（例えば絞りによって）。レーザビーム２は、
マスク格子３ａのほぼ１０個の区域を被う大きさのスポ
ットサイズに、レンズ２０によって収束され、そして、
露出光線１に対して透明なミラー２１によって反射され
る。光学系７は、ウェハの格子８ａ上で対称的な回折の
成分を再結合するために回折の成分を集束させる。ウェ
ハ格子の処で、対称的なそれらの回折の成分は反射され
て、再度２次の回折の成分に回折され、そして、光学系
の光軸に沿って進むビームＵ１及びＵ＋１として、格子
８ａを離れる。

反射されたこれらのビームは、これらの重複されたビー
ムの照度を測定する光検出装置乙の方へ、ビーム分割器
５によって転換される。ビーム分割器５はまた、格子３
ａを通過して回折されなかったビームを濾過するのにも
役立つ。

整列プロセスにおいて、位相格子は、その位相格子の光
学的な効果が劣化するのを減少させるように、他の層に
より被うことが出来る。マスク格子の回折の成分による
傾斜照射と、ウェハ格子の５１０２層の厚さの選択はこ
の妨害効果を減らす。

最初のステップで、粗調整の整列が、Ｘ座標軸方向で、
はぼｇＷ／４の精度で、マスク６か又はウェハ８を機械
的に移動することによって達成される。若し、１０ミク
ロンの程度の格子定数が使われたとすれば、この準備的
整列ステップの精度は±２．５ミクロンでなければなら
ないが、これは、例えば、レーザ干渉で制御される装置
のような通常の整列システムによって達成可能である。

この準備的整列の後、微調整の整列は、その上の機械的
移動手段を使うことなく、ガラス板４の適当な傾斜を使
うことによって行われる。したがって準備的整列のステ
ップは一枚のウェハ毎に一回だけでよい。

光検出器乙の電気出力信号は照度に依存するので、干渉
して重複されたビームＵ１及びＵ＋１の相対的な位相に
応じて変化することになる。格子の変位ΔＸは次式の位
相変化を発生するものとして知られている。即ち、 Δπ　−４πΔＸ／ｇ　　　　　　　　（１）電気信号
の位相はマスク格子３ａの位置及びウェハ格子８ａの位
置の両方に依存する。この位相差は以下の式により表わ
される。

たとえば、大きさは同じだが符号が逆の付加的位相シフ
トが、回折されたビームＵ０−及びＵ０＋１においてガ
ラス板によって生ぜしめられたとすると、光検出器乙に
おいて重複されるビームは以下の複素数表記法によって
表わされる。

ここで、Ａは光波の振幅である。従って、光検出器６で
測定される照度は、 Ｊ　　＝　　Ｉ　Ｕ＋１　＋０１１２ 繭Ｊ□　　ｌ　ｌ　＋ｃｏｓ　（Ｆ　＋　ＦＭ）　Ｉ　
（５）、Ｔ　　−２Ａ２ である。

ガラス板が無いか、又はガラス板が水平位置にあって、
若し、 ΔＸＭ　／　ｇＭ−一ΔＸｗ／ｇｗ（６）であるか、若
しくは、 ＦＭ−０（７） であるとすれば、整列が達成される。〜の電気出力信号
、従って、不整列は、等式（５）のコサイン関係の３つ
の点、即ち、２／３π　だけ互に離れている点における
照度を測定することによって決められる。この目的のた
めに、部分的ビームＩＪ＋ｉ及びし１の間の光学的位相
差は、マスク３と光学系７との間に配置された傾斜しう
るガラス板（厚さｄ）４によって、φ−０からφ−２／
３π及びφ−−２／３π　で変化する。若し、このガラ
ス板４が水平に置かれていれば、両方の回折されたビー
ムは対称的に通過して、相互の位相差は生じない。然し
なから、ガラス板４を角度αに傾けると、各ビームは、
ガラス板を通過する経路がガラス板の異なった厚さを通
ることになるから、２つのビーム相互の位相差を生じ、
その大きさは次式で与えられる。即ち、 ｆ　　　−４＋ｒＸ　−Ｘ５ｉｎαＸ ｕ 上式において、ｄはガラス板の厚さで、ｎは屈折率であ
る。

同時に、ガラス板の傾斜はウェハ格子に対してマスク格
子の事実上の変位を生ずる。

厚さｄが３００ミクロンで、格子定数が２０ミクロンで
、角度αが±２°であるとき、±２／３πの必要な位相
差が達成される。

これらの３つの傾斜角度において測定された照度がＪＲ
−、ＪＴ及びＪ８　とすると、位相Ｖｒｍは次式で計算
することが出来る。

上記の等式（９）は光学的な重なりを測定する技術の分
野で知られた数式である。部分的ビーム間の位相シフト
を行わしめるために電子光学変調器を使った光学システ
ムには、１９８４年２月１４日の応用光学（Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　）　Ｖｏ　１．２３．　Ｎｏ、４
の６２９頁にある［リングラフ・プロセスにおけるマス
ク整列の精度を検査するための光干渉方法」　（工ｎｔ
ｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｃ
ｈｅｃｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｓｋａｌｉｇｎｍｅｎｔ
　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｔｈｏｇｒ
ａｐｈｉｃ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　）と題するマコッシュ（
Ｍａｋｏｓｈ　）及びシェーン（５ｃｈ６ｎｅａ　）の
文献に記載されている。

測定プロセスにおいて、ガラス板４は第１図の紙面に対
して垂直方向な軸を傾斜軸として、例えば、検流計スキ
ャナによる振動の態様で、キロヘルツ程度の周波数で振
動される。従って、電気出力信号の評価は１／１０秒単
位で行うことが出来る。

電気出力信号の位相の評価は、（１０ミクロン程度の格
子定数が使われト場合、２５ミクロン程度の整列精度を
生ずる６×１ｏ　π位の大きさの高精度で行うことが出
来る。

マスクの変位の量及び方向、又は、整列を達成するのに
必要とされるウェハの変位の量及び方向は電気出力信号
の位相を測定することにより決められる。位相測定の結
果の値はサーボ機構、又は、ガラス板のアクチュエータ
に与えることが出来る。

後者の場合、露光プロセスの前に、ガラス板の傾斜によ
り、ウェハ８上に結像されたマスク乙の像が移動するの
で、微調整による整列が、機械的な移動を行うことなく
、達成される。

第２Ａ図及び第２Ｂ図は、直交する二方向の整列を同時
に行わせる本発明の第２の実施例を示している。この実
施例において、レーザの投射ビーム２は縦横の格子を有
する格子３ａ　　（両方の方向について同じ格子定数を
持っている）に向けられ、４本の部分的なビーム、Ｕｏ
Ｕｏ−１Ｕ１＋１及＋１１　　１ びＵｌ−１に分割される。分割された４本のビームはす
べて、傾斜しうるガラス板４及び修正されたビーム分割
器５を通過して、光学系７によってウェハ８上で一つの
位置に収束される。収束されたその位置には、光学系７
の倍率に従って、マスク格子３ａに対応する第２の格子
８ａ　　（この格子も縦横の格子を有する）がある。傾
斜ガラス板４の回転の軸は２対の回折ビームによって限
定される面に対して４５°に方向付けられているので、
ビーム対の位相差はガラス板４を単純に回転することに
よって変化させることが出来る。

Ｘ方向及びＹ方向に回折されたビーム相互の間で差異を
持つように、ビーム分割器５は、Ｙ部分ビームＵ１−１
及びＵ１＋１の交差点でλ／２の層によりカバーされる
２つの領域５ａを持っている。

従って、Ｙビームの偏光方向はＸビームに対して９０度
だけ回転され、そして、一対の部分ビームの両方は偏光
ビーム分割器６ｃによって分離されて、対応する光検出
器６ａ及び６ｂに差し向けられる。（ビームの偏光方向
は第２Ａ図では夫々■印と○印とによって示されている
。） ビーム分割器５の中心部分はハーフミラ−５ｂによって
カバーされており、ハーフミラ−は露出光線１に対して
は完全に透明であり、部分ビームＵは完全に反射する。

光学式リングラフ・システムの像の質が低下することが
ないように、第１図及び第２図の実施例は単純な光学素
子を使って、高精度で製造することが出来る。これは、
整列に関する光学的な微調整のときでさえも、薄いガラ
ス板及びその傾斜角度に特に適用される。

空間的な制限とか、品質上の要求とかが他の光学素子の
介入を許さない場合の他の光学式システムにおいて、本
発明は境界的な（ｍａｒｇｉｎａｌ　）光線ルイ市って
常■すス、″″Ｊ−バ出ネールのトへ７’？〜ス子ムを
第３図に示す。

レーザビーム２ａ及び２ｂがハーフミラ−２１へ別個の
光軸に沿って差し向けられて、マスクの周辺に配列され
た２つの格子３ａ１及び３ａ２に投射される。その回折
の成分は次に、２個の傾斜しうるガラス板４ａ及び４ｂ
を通過して、夫々Ｘ方向及びＹ方向に位相をシフトする
。あるいは、４５度の回転軸を有するガラス板を用いて
もよい。

この実施例の光学系は、マスク格子３ａ１及び３ａ２の
像を夫々、ウェハ格子８ａｌ及び８ａ２上に結像させる
２個の集束素子７ａ及び７ｂを持っている。ウェハのマ
スク８ａで回折されたビームと結合するビーム分割器５
は夫々の交差点５ａ及び５ｂの点で２つの出力ビームを
発生する。その出力ビームの各々は２つの重複された回
折の成分（例えば±１次の成分）を構成して、夫々関連
した光検出器へ別個に向けられる。

本発明の他の実施例においては、共通光軸（ＱＯ−１ｉ
ｎｅｒ　）で発生されたビームの位相差を評価すること
の出来る限りにおいて、より高次の回折の成分を使うこ
とが出来るし、あるいは、異なった格子定数を有するマ
スク格子及びウェハ格子を使うことも可能である。

ウニ八８上の反射格子の代りに、透過格子もまた、この
格子の背後に配列されている光導電体６と共に用いるこ
とが出来る。

第４図は、例えばパソコンのような適当にプログラムさ
れたコンピュータに接続されたアクチュエータ及び制御
素子を本発明の整列装置に装着した態様を示している。

コンピュータ４５は、夫々、Ｄ　／　Ａ変換器４４ａ及
び４４ｂと、Ａ／Ｄ変換器４４ｃを介してデジタル信号
を発生し、そして受は取る。マスク６及びウェハ８の間
の整列の誤差は表示カウンタ４６により表示される。

この実施例において、マスク６は、増幅器４２を有する
ピエゾ電気変換装置４１によって機械的に変位される。

マスク乙の正確な位置は誘導プローブ４０により感知さ
れ、その出力信号はＡ　／　Ｄ変換器４４ｃによりデジ
タル形式に変換される。

ガラス板４はスキャナ駆動器４６によって傾けられる。

スキャナ駆動器４６は、誤整列の大きさがコンピュータ
４５で決定された後に、微調整用の一定の傾斜角度を設
定する。

Ｅ１発明の効果 本発明は従来のものに比べて、より高い精度の整列を高
速度に行うことが出来、更に製造上の制約を受けること
もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は一方向の整列を行うための本発明の第１の実施
例を説明するための模式図、第２Ａ図及び第２Ｂ図は２
方向の整列を可能とする本発明の第２の実施例を説明す
るための模式図、第３図は通常のホトグラフ・システム
に実施出来る共通の光軸を持たない本発明の第３の実施
例を説明するための模式図、第４図は本発明を実行する
ために装着される周辺装置を説明するためのブロック図
である。 ２・・・・レーザビーム、３・・・・マスク、３ａ・・
・・マスク格子、４・・・・ガラス板、５・・・・ビー
ム分割器、６．６ａ　、６ｂ・・・・光検出器、７・・
・・光学系、８・・・・ウェハ、８ａ・・・・ウェハ格
子、２１・・・・ハーフミラ−０ 出　願　人　　インターナショナル・ビジネス・マシー
ンズ・フーホソーションＦＩＧ、（ 軒千升刊−（

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の光学的格子を有する第１の対象物と第２の光学的
   格子を有する第２の対象物とを、前記第１の光学的格子
   に光ビームを当てて光学系における共役な面に整列させ
   る方法であつて、 前記第１の光学的格子からの対称的な回折光を前記第２
   の光学的格子に結像し、 前記第１の光学的格子からの対称的な回折光間の位相差
   を周期的に変化せしめ、 前記第１の光学的格子からの前記回折光と前記第２の光
   学的格子からの回折光との位相差を測定するようにした
   ことを特徴とする対象物整列方法。