JP2880763B2

JP2880763B2 - 位置合わせ方法

Info

Publication number: JP2880763B2
Application number: JP2130048A
Authority: JP
Inventors: 徹東條; 光雄田畑; 達彦東木; 武士西坂; 寿和芳野; 晋斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1999-04-12
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: JPH0425111A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、位置合わせマークを用いて２つの物体の相
対的な位置を合わせる方法に係わり、特にパターン転写
に供されるマスク・ウェハの相対位置ずれを光学的に検
出して補正する位置合わせ方法に関する。

（従来の技術）近年、LSI等の半導体素子の回路パターンの微細化に
伴い、パターン転写手段として、高解像性能を有する光
学式投影露光装置が広く使用されている。この装置を用
いて転写を行う場合、露光に先立ってマスクとウェハと
を高精度で位置合わせ（アライメント）する必要があ
る。

この種のアライメントでは、マスクとウェハを直接位
置合わせするTTLアライメントが有力である。そして最
近、TTLアライメントの一例として、第６図に示すよう
な、色収差補正機構を必要としないアライメント光学系
が報告されている。

この光学系では、第６図（ａ）に示すようにアライメ
ント入射光（２光束）を投影レンズの入射瞳位置に、さ
らに同図（ｂ）に示すように横方向から見ても同様な入
射瞳の位置に照射する。そして、マスク上に設けられた
分離されたマークからの回折光の一部を投影レンズを通
してウェハ上のマークに集光し、そこからの反射回折光
を、マスク・ウェハのマーク位置情報を持ったアライメ
ント光としている。なお、第６図において、１はウェ
ハ、２は投影レンズ、３はマスク（レチクル）、４はコ
ンデンサレンズ、５は凹レンズ、６はミラーを示してい
る。

しかし、このような光学系では、第６図の場合でチッ
プサイズが変わり、マークがマスクの半径方向に移動し
た場合、そこを通るアライメント光に対する入射瞳の位
置は、第７図に示すように設計点Ｃからずれることが判
明している。即ち、理想的にはＡ〜Ｂにマーク位置が変
化しても、このマークに入射するアライメント光はそれ
ぞれのマークと設計点Ｃとを結んだ破線のように示す光
路を取ればよいことになっていた。しかし実際には、マ
ーク位置をＡからＢに変化すると、入射瞳位置はＤ点か
らＥ点へと連続的に変化する。これは、アライメント光
の投影レンズに対する瞳の収差が存在しているためであ
る。このため、従来の破線で示したのとは異なる方法で
連続的に変化する入射瞳の位置にアライメント光を入射
させる必要が生じている。これを行わない場合、第６図
（ｂ）に示したｘと5xのマーク位置関係が崩れ、たとえ
マスク上のマークに照射したとしてもウェハ上の正確な
マーク位置にはアライメント光が照射されないという問
題があった。即ち、マスクとウェハで倍率が異なること
になる。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、マスク上のマーク位置が半径方向に
変化した場合、これに対応した入射瞳位置も大きく変化
しているため、上述した方法ではウェハ側テレセントリ
ックの条件が満足されないこと、さらに倍率が補正でき
ないという問題が生じた。つまり、ウェハ上の正確なマ
ーク位置にはアライメント光を照射することができず、
位置合わせ精度の低下を招く問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、マスクのマーク位置が半径方向に
変化しても、アライメント光を理想に近い光路を通すこ
とができ、倍率も実用上問題とならない程度に合わせる
ことができ、位置合わせ精度の向上をはかり得る位置合
わせ方法を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために本発明（請求項１）では、
マスクに設けられたマスクマークに露光光とは異なる波
長のアライメント光を照射し、マスクマークを通して得
られる光を投影レンズを介してウェハ上に形成されたウ
ェハマークに照射し、ウェハマークからの反射光を検出
して各マークの相対位置ずれ情報を求め、このずれ量に
応じてマスク・ウェハを位置合わせする位置合わせ方法
において、マスクマークが光軸に最も近い位置にくると
きに、この位置と該位置からのアライメント光に対する
投影レンズの入射瞳とを結ぶ線と、マスクマークが光軸
に最も遠い位置にくるときに、この位置と該位置からの
アライメント光に対する投影レンズの入射瞳とを結ぶ線
との交点を仮想入射瞳に設定し、マーク位置によらず常
にマスクマークへのアライメント光を仮想入射瞳に向か
って照射することを特徴としている。

また本発明（請求項２）は、LSIのチップサイズに注
目し、X,Y方向の位置合わせのために必要なＸ及びＹ方
向のアライメント光学系が対応しなければならない守備
範囲は異なっていることから、X,Y方向のアライメント
光学系の可動ストロークを限定し、短いストロークとし
先に述べた補正方法の近似度を増すことを特徴としてい
る。即ち、本発明（請求項２）は上記請求項１の方法に
加え、X,Y方向の光学系で定義される入射瞳位置をそれ
ぞれ異なるようにし、Ｘ方向,Y方向のストローク内で誤
差が最小となる入射瞳位置を設定することを特徴として
いる。

（作用）前述した第６図のような光学系で、チップサイズが変
わりマークがマスクの半径方向に移動した場合、そこを
通るアライメント光に対する入射瞳の位置は、第１図に
示すように設計点Ｃからずれる。そこで本発明（請求項
１）では、仮想的な入射瞳の位置を設定し、アライメン
ト光が常にこの仮想入射瞳の位置を通るようにしてい
る。

第１図において、Ａ点を光軸から最も近い点にマスク
マークが来る位置、Ｂ点を光軸から最も遠い点にマスク
マークが来る位置とすれば、A,Bの点を通った光は、光
軸上のDE間を通りウェハ上のマークに照射されればよ
い。ここで、Ａ−Ｄの光路とＢ−Ｅの光路は、光軸から
僅かにずれたＦ点で交わる。従って、このＦ点をあたか
も入射瞳の位置（仮想入射瞳）であると見做してアライ
メント光を入射する光学系を構成すれば、ウェハ上の正
確なマーク位置にアライメント光を照射することができ
る。具体的には、従来の第６図で示した凹レンズに入射
させるアライメント光の角度を選択し、入射瞳の位置を
光軸上からずらすとよい。このようにすることによっ
て、アライメント光は理想に近い光路を通り、倍率も実
用上問題とならない程度に合わせることが可能となる。

また、本発明（請求項２）によれば、LSIのチップサ
イズに注目し、X,Y方向のアライメント光学系の守備範
囲を限定することによって、従来より高精度に入射瞳位
置の変化に対応することができる。この結果、アライメ
ント光を理想に近い光路に通すことができ、倍率誤差等
を低減し、正確にウェハマーク上にアライメント光を照
射することができる。また、大部分の光学部品は従来と
同じで、コンデンサレンズ上の凹レンズのみをX,Y方向
光学系の仕様に合わせて変更することで対応することが
できる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第２図は本発明の一実施例方法に使用したアライメン
ト光学系を示す図である。同図において、10はアライメ
ントマーク11が設けられたウェハ、20は投影レンズ、30
は所定パターンと共にアライメントマーク31が設けられ
たマスク（レチクル）、40はコンデンサレンズ、50は凹
レンズを示している。マーク11,31は、例えば光透過部
と光遮蔽部とを交互に配置した、１次元又は２次元の回
折格子からなるものである。そして、露光光とは異なる
波長のアライメント光がマスクマーク31に照射され、マ
スクマーク31を透過した光が投影レンズ20を介してウェ
ハ10上のマーク11に照射され、ウェハマーク11からの反
射光を検出することにより、各マーク間の相対的な位置
ずれが測定されるものとなっている。

この構成は、基本的には前記第６図と同様であるが、
凹レンズ50に対するアライメント光の入射角度が第６図
とは異なっている。即ち、アライメント光の入射角度を
従来のそれからθだけ傾けて、マスク30のマーク31を通
した光が、レンズ本来の入射瞳Ｐではなく仮想入射瞳Ｑ
を通るようにしている。

この仮想入射瞳Ｑは、マスクマーク31が光軸に最も近
い位置にくるときに、この位置と該位置からのアライメ
ント光に対する投影レンズの入射瞳とを結ぶ線と、マス
クマーク31が光軸に最も遠い位置にくるときに、この位
置と該位置からのアライメント光に対する投影レンズの
入射瞳とを結ぶ線との交点に設定している。そして、マ
ーク位置によらず常にマスクマーク31からの透過光を仮
想入射瞳Ｑに照射するようにしている。

このように本実施例方法においては、光軸とはずらし
た位置に仮想入射瞳Ｑを設定し、即ちマーク31が光軸に
最も近い位置及び最も遠い位置にあるときのそれぞれの
最適な光路の交点に仮想入射瞳Ｑを設定し、マーク31か
らのマスクマーク31からの透過光を常に仮想入射瞳Ｑに
照射するようにしている。このため、マーク位置によら
ずアライメント光は理想に近い光路を通り、倍率も実用
上問題とならない程度に合わせることが可能となる。従
って、ウェハ上10の正確なマーク位置にはアライメント
光を照射することができ、位置合わせ精度の向上をはか
ることができる。

次に、本発明の他の実施例方法について説明する。

先の実施例では、従来の問題を解決するための一つの
方法として、入射光の第６図（ａ）の２光束が一致する
点、即ち横から見た図の第６図（ｂ）でこの光束が光軸
をよぎる点（この位置が入射瞳位置であり、第１図で示
すＥ点）で２光束が交わらず、Ｆ点で交わるように変換
し、これによってチップサイズが変わっても見掛上光軸
をよぎる点をＤからＥにチップサイズに応じて変更する
ことができる方法を採用している。

しかし、入射瞳の位置の変化は、線形的ではなく非線
形であり、上述する方法によっても完全に入射瞳の位置
変化に十分に対応できるものではない。そこで本実施例
方法では、Ｘ方向,Y方向の光学系で定義される入射瞳の
位置をそれぞれ異なるようにしている。

本実施例方法は、通常のVLSIチップは第３図に示すよ
うに長方形状をしていることに注目してなされたもであ
る。即ち、多くの場合チップの大きさは転写可能領域
（通常は円）を内接する矩形で定義されている。このた
め、Ｘ方向とＹ方向のアライメント光学系としては図に
示すようにＸ方向でL_X1〜L_X2、Ｙ方向でL_Y1〜L_Y2の範囲
を測定できるようにすればよい。L_X2＝L_Y1のとき、チッ
プサイズは正方形となる。従って、Ｘ方向は正方形の寸
法から最小の寸法L_X1まで、Ｙ方向は正方形の寸法から
最大の寸法L_Y2までの範囲をカバーするとよい。

これに対応した光学系が第４図及び第５図に示すよう
になる。なお、第４図はこの光学系を側面から見た図で
あり、第５図は上面から見た図である。この場合、Ｘ方
向を左側に、Ｙ方向を右側の光学系に示す。凹レンズ50
が左右で分割され、Ｘ方向及びＹ方向の仮想入射瞳の位
置を変えている。即ち、Ｘ方向のアライメント光は凹レ
ンズ51を介して入射され、Ｙ方向のアライメント光は凹
レンズ51より屈折力の弱い凹レンズ52を介して入射さ
れ、これによりX,Y方向でのカバーする領域を異なら
せ、X,Y方向で仮想入射瞳の位置を変えている。

なお、X,Y方向で光学系を変える場合、コンデンサレ
ンズ40は露光するための露光光が通過するため、細工す
ることは不可能である。従って、コンデンサレンズ40の
上部に設けた光学系の一部のレンズ、例えば凹レンズ50
を２分割して対応している。また、Ｘ方向の位置合わせ
にはマスクマーク32及びウェハマーク12を用い、Ｙ方向
の位置合わせにはマスクマーク31及びウェハマーク11を
用いる。

一般的に、上述した入射瞳の軸上の位置変化には、マ
スクマークの半径方向の変化に対応して線形的に変化は
していない。従って、従来１つの光学系によって入射瞳
の位置を変化させる光学系では近似度が悪い。これに対
し、本実施例のようにX,Y方向と光学系を分けることに
よって、より近似度の高いアライメント光学系を提供す
ることができる。具体的には、Ｘ方向は正方形から最小
寸法まで、Ｙ方向は正方形から最大寸法でよく、この範
囲で前述したように仮想入射瞳をそれぞれ設定すれば、
アライメント光をより理想に近い光路を通すことがで
き、マスク・ウェハの位置合わせ精度もより向上するこ
とになる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、マスクマークか
らのアライメント光を光軸からずらした最適な仮想入射
瞳の位置に照射するようにしているので、マスクのマー
ク位置が半径方向に変化しても、アライメント光を理想
に近い光路を通すことができ、倍率も実用上問題となら
ない程度に合わせることができ、位置合わせ精度の向上
をはかり得る位置合わせ方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理を説明するための図，第２図
は本発明の一実施例方法に使用したアライメント光学系
を示す図、第３図はウェハ上の転写可能領域を示す図、
第４図及び第５図は本発明の他の実施例方法に使用した
アライメント光学系を示す図、第６図は従来のアライメ
ント光学系を示す図、第７図は従来の問題点を説明する
ための図である。 10……ウェハ、11,12……ウェハマーク、20……投影レ
ンズ、30……マスク、31,32……マスクマーク、40……
コンデンサレンズ、50,51,52……凹レンズ、61,62……
ミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東木達彦神奈川県川崎市幸区堀川町72番地株式会社東芝堀川町工場内 (72)発明者西坂武士神奈川県川崎市幸区堀川町72番地株式会社東芝堀川町工場内 (72)発明者芳野寿和東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社トプコン内 (72)発明者斉藤晋東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社トプコン内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに設けられたマスクマークに露光光
とは異なる波長のアライメント光を照射し、マスクマー
クを通して得られる光を投影レンズを介してウェハ上に
形成されたウェハマークに照射し、ウェハマークからの
反射光を検出して各マークの相対位置ずれ情報を求め、
このずれ量に応じてマスク・ウェハを位置合わせする位
置合わせ方法において、マスクマークが光軸中心に最も近い位置に置かれたとき
に、この位置と該位置からのアライメント光に対する投
影レンズの入射瞳とを結ぶ線と、マスクマークが光軸中
心に最も遠い位置に置かれたときに、この位置と該位置
からのアライメント光に対する投影レンズの入射瞳とを
結ぶ線との交点を仮想入射瞳に設定し、マークが設けら
れた位置によらず常にマスクマークへのアライメント光
をマスクマークを通り該仮想入射瞳に入射させるように
したことを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項２】マスクに設けられたマスクマークに露光光
とは異なる波長のアライメント光を照射し、マスクマー
クを通して得られる光を投影レンズを介してウェハ上に
形成されたウェハマークに照射し、ウェハマークからの
反射光を検出して各マークの相対位置ずれ情報を求め、
このずれ量に応じてマスク・ウェハを位置合わせする位
置合わせ方法において、マスク上に設けられた第１のマスクマークが光軸中心か
らＸ方向距離が最も近い位置に置かれたときに、この位
置と該位置からのアライメント光に対する投影レンズの
入射瞳とを結ぶ線と、第１のマスクマークが光軸中心か
らＸ方向距離が最も遠い位置に置かれたときに、この位
置と該位置からのアライメント光に対する投影レンズの
入射瞳とを結ぶ線との交点をＸ方向の仮想入射瞳に設定
し、マスク上に設けられた第２のマスクマークが光軸中心か
らＹ方向距離が最も近い位置に置かれたときに、この位
置と該位置からのアライメント光に対する投影レンズの
入射瞳とを結ぶ線と、第２のマスクマークが光軸中心か
らＹ方向距離が最も遠い位置に置かれたときに、この位
置と該位置からのアライメント光に対する投影レンズの
入射瞳とを結ぶ線との交点をＹ方向の仮想入射瞳に設定
し、Ｘ方向のアライメントにおける第１のマスクマークへの
アライメント光を第１のマスクマーク位置によらず常に
Ｘ方向の仮想入射瞳に入射させ、且つＹ方向のアライメ
ントにおける第２のマスクマークへのアライメント光を
第２のマスクマーク位置によらず常にＹ方向の仮想入射
瞳に入射させるようにしたことを特徴とする位置合わせ
方法。
【請求項３】Ｘ方向のアライメントにおける第１のマス
クマークへのアライメント光をＸ方向の仮想入射瞳に入
射させる手段として、第１のマスクマークに入射する光
を屈折させる第１のレンズを用い、Ｙ方向のアライメン
トにおける第２のマスクマークへのアライメント光をＹ
方向の仮想入射瞳に入射させる手段として、第２のマス
クマークに入射する光を屈折させる第１のレンズとは屈
折率の異なる第２のレンズを用いたことを特徴とする請
求項２記載の位置合わせ方法。