JP2890701B2

JP2890701B2 - 位置合わせ検出装置

Info

Publication number: JP2890701B2
Application number: JP2164717A
Authority: JP
Inventors: 利幸岩澤; 健夫佐藤; 淑人中西; 正樹山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: US5155557A; DE69114188D1; EP0463587B1; JPH0461112A; DE69114188T2; EP0463587A1

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、半導体ウェハ等に超微細加工するための縮
小投影露光装置に用い、レチクル等の基板の位置合わせ
の検出を行なう位置合わせ（アライメント）検出装置に
関するものである。

従来の技術従来、連続発光源である水銀ランプを使用した縮小投
影露光装置に用いられている位置合わせ検出装置として
は、特開昭53−77009号公報に記載された構成が知られ
ている。

以下、上記従来の位置合わせ検出装置について図面を
参照しながら説明する。

第４図は従来の位置合わせ検出装置を示す構成図であ
る。

レチクル等の位置合わせは直角方向のＸ軸、Ｙ軸と回
転方向のθ軸の３軸について行なうが、このうち、Ｘ軸
方向についてのレチクルのアライメント（位置合わせ）
について説明する。

アライメント精度が要求される場合、露光波長と位置
合わせに使用する波長とは同一である方がよい。

第４図において、101は露光光源である水銀ランプよ
り光を分流させた照明光学系であり、照明光学系101か
らの光は、ビームスプリッタ103により対物レンズ104側
に反射され、対物レンズ104を通った光は、未来105で反
射され、レチクル106に入射される。レチクル106は第５
図に示すように、平面内で直交する２方向であるＸ方
向、Ｙ方向および回転方向であるθ方向に移動すること
により、精密なアライメントが行なわれるようになって
いる。ミラー105で反射された光がレチクル106に入射す
る部分には、スリット状のアライメントマーク107（こ
こではＸ方向用）が設けられている。レチクル106に入
射した光は、このアライメントマーク107で反射され、
往路と同じ往路を通り、ミラー105、対物レンズ104、ビ
ームスプリッタ103へと進み、ビームスプリッタ103では
直進し、結像レンズ111へと進む。結像レンズ111を通っ
た光は、ビームスプリッタ112で直進光と反射光に分け
られ、直進光はターゲットマーク113、リレーレンズ114
を通り、ビジコン115で受像され、アライメントの粗合
わせに利用する。一方、ビームスプリッタ112で反射さ
れた光は、一定周波数ｆで振動する振動ミラー116で反
射され、スリット状のターゲットマーク117を通る。タ
ーゲットマーク117のスリットを通った光は、集光レン
ズ118を通り、受光素子（例えば、フォトマル）119に到
達する。受光素子119で電気信号に変換された信号は、
増幅器120で増幅される。この増幅された信号は、レチ
クル106のＸ方向の移動量（ずれ量）に従ってミラー振
動周波数を基準にして第６図に〜で示すように変化
する。増幅された信号は、位相検波器121に入力され
る。この位相検波器121には振動ミラー116の駆動回路で
あるミラードライバ122から基準となる周波数ｆの信号
も入力されており、位相検波器121ではこの２つの信号
の積となる信号を出力する。位相検波器121の出力信号
は、平均化するためにローパスフィルタ123に通され、
位相検波出力として取り出される。

そこで、横軸にレチクル106のＸ方向の移動量を取
り、縦軸に位相検波出力を取ると、第７図に示すように
なる。原点付近が、最良のアライメント状態を示してい
る。

発明が解決しようとする課題しかし近時、半導体素子への高集積の要望が大きく、
それに応えるためには露光光の波長を短くする必要があ
り、現在使用しているｇ線（波長：λ＝436nm）、ｉ線
（λ＝365nm）に替えてKrFエキシマレーザ（λ＝248n
m）等を用いる必要がある。しかし、ｇ線、ｉ線は出力
の安定した連続波であるが、KrFエキシマレーザは例え
ば、パルス幅が20ns、繰り返し周波数が200Hz、出力変
動±５％程度の断続波であり、この光を使用する場合、
従来の連続波を用いた位置合わせ検出装置を適用するこ
とができないという課題があった。

本発明は、従来技術の以上のような課題を解決するも
のであり、KrFエキシマレーザ等のような断続波を使用
しても、良好な位置合わせ検出を行なうことができるよ
うにした位置合わせ検出装置を提供することを目的とす
るものである。

課題を解決するための手段上記目的を達成するための本発明の技術的解決手段
は、周期的に断続発光する光源を用いた照明光学系と、
位置合わせマークを有する基板と、上記光源から放射さ
れ、上記基板の位置合わせマークを通った光を拡大、投
影するレンズと、この拡大、投影レンズの結像位置に置
かれたスリットと、このスリットとこのスリット上に投
影された光とを上記スリットの中心を軸として周期的に
変位させる変位手段と、上記スリットを通過した光を検
出する受光素子と、この受光素子から出力される離散型
信号の各々の総量を検出し、その値を次の信号が入力さ
れるまで保持する積分、ピークホールド回路と、上記光
源の出力変動を検出するセンサと、このセンサの出力を
もとに上記受光信号を補正する出力補正回路と、上記積
分、ピークホールド回路の補正後出力のうち、高調波成
分を除去するフィルタと、上記変位手段の変位周波数を
基準として上記フィルタの出力を位相検波する位相検波
器と、この位相検波器の出力を平均化する平滑回路とを
具備したものである。

そして、上記出力変動検出センサがレンズの結像位置
に置かれたスリットと共役位置に置かれ、また、上記受
光素子と出力変動検出センサとが同一種類のディテクタ
であり、また、上記受光素子がホトダイオードであるの
が好ましい。また、上記周期的に断続発光する光源とし
てエキシマレーザを用いることができる。

作用本発明は、上記構成により、断続発光光源を持つ超微
細露光装置の位置合わせの検出を行なう際、光路内に設
けた光源の出力変動モニタ用のセンサ出力から出力変動
値を演算し、一方、位置合わせ光の光電変換後の信号を
増幅した後、各離散信号ごとに積分、ピークホールド
し、上記出力変動値を用いて発光源の出力補正を行なっ
た後、この階段状の連続信号からフィルタで高調波成分
を取り除き、連続波で入力された場合と同様な滑らかな
アナログ波形を得て位相検波を行なうことができる。

実施例以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説
明する。

第１図は本発明の一実施例における位置合わせ検出装
置を示す構成図である。

本実施例においては、レチクルの位置合わせに適用し
た場合について説明する。

第１図において、１はファイバであり、先端部にある
取り出し口から露光光源である断続発光のエキシマレー
ザ光（例えば、発光パルス幅20ns、繰り返し周期200H
z、出力変動±５％）Ｌが投射される。２は集光レッズ
であり、ファイバ１から投射された光を集め、ビーム状
にする。これらファイバ１、集光レンズ２は照明光学系
と総称される。３はビームスプリッタであり、一部の光
を反射させ、一部の光を透過させ、光を分散する。４は
対物レンズであり、光および像を拡大する。５はミラー
であり、光を反射させることによりその進行方向を変え
る。６はレチクルであり、露光原図（マスク）の拡大さ
れたものである。７はアライメント（位置合わせ）マー
クであり、位置合わせに用いるため、スリット状にマー
キングされており、レチクル６の端部の露光パターンの
不使用部分に形成されている。８は投影レンズであり、
レチクル６を通過した露光光を縮小する。９はウェハス
テージであり、ウェハ（明示せず）が載せられ、露光が
行なわれる。10はウェハステージ９の上に設置された位
置合わせのためのフィデュシャル（基準）マークであ
る。11は光を投影するための結像レンズ、12は上記と同
様のビームスプリッタ、13は像を判別しやすくするため
のターゲット（固定）マーク、14は結像のためのリレー
レンズ、15は撮像に用いるビジコン、16は上記と同様の
ビームスプリッタ、17はレーザ光の出力変動をモニタ
（検出）するための光電変換用受光素子、18はレーザ出
力モニタであり、出力変動を検出し、基準値に対しての
変動率を出力する。19は振動ミラーであり、一定周波数
ｆおよび一定振動で振動する。20はミラードライバであ
り、一定周期ｆ（f:10〜20Hz程度）で一定振幅の信号を
発生し、振動ミラー19を駆動する。21は一定幅（数十〜
数百ミクロン）の１本のストライプ状のスリット、22は
スリット21を通った光を収束させるための集光レンズ、
23は光電変換用の受光素子であり、PINホトダイオード
（例えば、浜松ホトニクス（株）製、S1723−05等）を
用いる。24は増幅器であり、受光素子23での光電変換信
号を増幅する。25は積分、ピークホールド回路であり、
断続発光波の光電変換信号波を積分し、そのピーク値を
検出して一定時間（一周期間）保持しておく。26は出力
補正回路であり、増幅器24からの信号入力をレーザ出力
モニタ18からの出力変動率入力に従って補正する。27は
ローパスフィルタであり、連続して振幅が変化するパル
ス列から高調波成分を取り除き、基本波成分を抽出す
る。28は位相検波器であり、２入力信号の積を求め、そ
れを出力する。29はローパスフィルタであり、位相検波
回路28の出力を平滑化する。

以上のような構成において、以下、その動作と共に更
に詳細に説明する。

第１図において、ファイバ１の端部の取り出し口から
露光光源である断続発光のエキシマレーザ光（発光パル
ス幅20nsec、繰り返し周期200Hz、出力変動率±５％−
第２図（ａ）参照）が投射される。投射された光は、集
光レンズ２で収束され、ビームスプリッタ３、対物レン
ズ４を通り、ミラー５によってレチクル６に垂直に入射
し、アライメントマーク７で反射される。反射された光
は、対物レンズ４までは往路と同じ径路を通るが、ビー
ムスプリッタ３では直進し、結像レンズ11を経てビーム
スプリッタ12に入射する。なお、アライメントマーク７
で反射した光は、スリット21で結像するように、対物レ
ンズ４および結像レンズ11で拡大、投影される。ビーム
スプリッタ12に入射した光は２分され、一方はターゲッ
トマーク13を通り、リレーレンズ14で投影され、ビジコ
ン15で受像する。ここでの像は、200Hzの断続された像
となるが、残像効果により人間の目では、ほぼ連続した
像として捉えることができるので、そのままレチクル６
の粗位置合わせ用として用いることができる。ビームス
プリッタ12で２分された他方の光は、更に、ビームスプ
リッタ16で２分される。２分された一方の光は、出力変
動モニタ（検出）用受光素子17で光電変換される。この
モニタ用受光素子17を設ける場合は、エキシマレーザの
光路内であればどこでも良いが、正確な位置合わせを期
すために、受光素子23に入射する光と可能な限り等し
く、かつ常に光路の安定した場所として、振動ミラー19
の直前で、かつスリット21と共役な位置となるように設
けるのが好ましい。また、受光素子17の前にスリット21
および集光レンズ22と同様なスリットおよび集光レンズ
を設けても良い。また、モニタ用受光素子17は信号用受
光素子23と同一種類のディテクタを用いた方がより正確
な出力変動の補正が可能である。

上記のようにモニタ用受光素子17で光電変換された信
号は、レーザ出力モニタ18に入力される。レーザ出力モ
ニタ18には増幅回路、積分、ピークホールド回路、割算
回路等が内蔵され、入力された信号を増幅した後、積分
し、ピーク値を検出し、次の信号が入力されるまでその
値を保持し、この保持した値をあらかじめ定められたレ
ーザ出力基準値で除算する。したがって、この除算した
結果がレーザ出力変動値となる。この出力変動値を出力
補正回路26に出力する。一方、ビームスプリッタ16で分
けられた他方の光は、振動ミラー19に入射する。振動ミ
ラー19はあらかじめ定められた振動周波数ｆ（ｆは約20
Hz）の振幅でミラードライバ20によって駆動されてい
る。振動ミラー19により反射された光は、スリット21に
入射される。このスリット21を通り抜けることができた
光は、集光レンズ22で収束され、光電変換のための発光
素子23に到達する。受光素子23として、一般に光電子倍
増管（ホトマル）がよく用いられる。ホトマルの動作原
理は入射光が光電面に当たって光電子が発生し、この光
電子がダイノードの壁面に当たりながら電子を増倍し、
陽極に到達するものであるが、ダイノードを通過する時
の電子通過径路の違いにより電子の増倍度、つまり感度
のバラツキが生じる。連続発光、または発光パルス幅の
長い（数μsec以上）断続発光の場合には、このバラツ
キが平均化されて支障をきたさないが、本発明のように
発光パルス幅が20nsecと短いために、ホトマルは不向き
であり、このため、受光素子23には、発光パルス幅の短
い断続入力に対して感度バラツキの少ないホトダイオー
ドを使用する。また、上記モニタ用受光素子17も同様の
理由でホトダイオードを使用する。そして、補正精度を
高めるために、受光素子17および23は同一特性が得られ
るように、同一品番のホトダイオードが使用される。

ホトダイオードからなる受光素子23に入射した光は、
ここで、電気信号に変換され、この離散型信号は増幅器
24で信号増幅される。レチクル６の位置合わせがほぼ良
好な状態、つまり、レチクル６のスリット状のアライメ
ントマーク７で反射したストライプ状の反射光がスリッ
ト21の中心を軸とし、振動ミラー19によって振られてい
る状態では、第２図（ｂ）および第３図に示すように、
ミラー19を振動させると、ミラー19の変位量に従ってス
リット21を通過する反射光30の光量は、ミラー19の振動
周波数の２倍の周波数で変化する。そこで、このような
状態では第１図に示す増幅器24の出力波形は第２図
（ｃ）に示すような波形となる。

次に、この増幅器24の離散型の信号が積分、ピークホ
ールド回路25に入力される。この積分、ピークホールド
回路25は離散型信号の各々について積分し、ピークを検
出し、そのピーク値を次の信号が入力されるまで保持す
る。この積分、ピークホールド回路25の出力信号を第２
図の（ｄ）に示す。

積分、ピークホールド回路25の出力信号は、出力補正
回路26に入力される。出力補正回路26では、この積分、
ピークホールド回路25の出力と、レーザ出力モニタ18か
ら出力されるレーザ出力変動値との積がとられ、その積
算した結果が出力される。つまり、出力変動の補正が行
なわれ、補正結果が出力される。この補正後の出力信号
を第２図の（ｅ）に示す。なお、レーザ出力モニタ18か
ら出力される出力変動値の対象値の対象光と、積分、ピ
ークホールド回路25から出力される信号の対象光とは同
じであるので、出力補正回路26での補正処理は同時にリ
アルタイムで行なわれる。次に、出力補正回路26の信号
は、ローパスフィルタ27に出力される。ローパスフィル
タ27は振動ミラー19の振動周波数ｆの約２倍の周波数を
遮断周波数としているので、補正された階段状の信号か
ら高調波成分がとれ、第２図（ｆ）に示すように、滑ら
かな基本波成分による信号が得られる（この信号は従来
例で示した連続発光光源を用いた場合における増幅器12
0の出力とほぼ同じものとなる。）。

上記振動ミラー19には、センサ（図示せず）が取り付
けられており、このセンサ出力をミラードライバ20にフ
ィードバックし、閉ループ制御を行ない、振動周波数お
よび振幅の精度を向上させている。ミラードライバ20で
このセンサ信号を増幅した信号は、位相検波器28に出力
される。位相検波器28では、ローパスフィルタ27の出力
信号と、ミラードライバ20から出力されたセンサ信号と
の積をとり（位相検波）、その結果をローパスフィルタ
29に出力する。ローパスフィルタ29では、この信号を平
滑化、平均化して出力する。この出力信号が位相検波出
力と呼ばれる。

以上のようなアライメント方式において、横軸にレチ
クル６のＸ方向の移動量をとり、縦軸に位相検波出力を
とると、従来例と同様に第７図に示すような特性が得ら
れる。

以上はレチクル６のＸ方向の位置合わせのセンシング
方式について述べたが、Ｙ方向、θ方向についても全く
同様に位置合わせのセンシングを行うことができる。

なお、以上の説明では、スリット21を固定し、ミラー
19を振動させた例について述べたが、ミラー19を固定
し、スリット21を周波数ｆで振動させても同様の結果を
得ることができる。また、本発明においては、スリット
状のアライメントマーク７で反射した光が受光側に設け
られたもう１つのスリット21の中心に対し、どれだけず
れているかについて検出するものであり、本実施例にお
いては、レチクル６の位置合わせに適用した場合につい
て述べたが、スリット状のアライメントマークをウェハ
上に設けることによりウェハの位置合わせにも適用する
ことができる。また、エキシマレーザを露光光源とした
露光装置においては、位置合わせに用いる光の波長と露
光波長とが同一となるので、直接、投影レンズ８を通し
てウェハ上のアライメントマークのズレ検出を行なうこ
ともできる。更に、レチクル６の位置合わせにおいて
は、レチクル６のスリット状のアライメントマーク７を
通過した光が投影レンズ８を通過し、ウェハステージ９
上のフィデュシャルマーク10で反射され、この反射光が
往路と同じ径路を通り、受光素子に到達するようにすれ
ば、フィデュシャルマーク10を基準とするレチクル６の
絶対的な位置合わせも可能である。

発明の効果以上説明したように本発明によれば、断続発光光源を
持つ超微細露光装置の位置合わせの検出を行なう際、光
路内に設けた光源の出力変動モニタ用のセンサ出力から
出力変動値を演算し、一方、位置合わせ光の光電変換後
の信号を増幅した後、各離散信号ごとに積分、ピークホ
ールドし、上記出力変動値を用いて発光源の出力補正を
行なった後、この階段状の連続信号からフィルタで高調
波成分を取り除き、連続波で入力された場合と同様な滑
らかなアナログ波形を得た位相検波を行なうようにして
いる。このような断続波を使用しても従来の光学系の径
路を変えることなく、簡単に位置合わせ検出を行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の一実施例における位置合
わせ検出装置を示し、第１図は全体の構成図、第２図は
各部の信号波形図、第３図は振動ミラーにより変位した
反射光とスリット光量との関係図、第４図は従来の連続
発光光源を用いた位置合わせ検出装置を示す全体の構成
図、第５図は投影露光装置に使用するレチクル部分の概
略図、第６図は連続発光光源を用いた場合のレチクル位
置合わせの光電素子出力信号図、第７図はレチクル位置
合わせのセンシングにおける移動量−検波出力特性図で
ある。１……ファイバ、２……集光レンズ、３……ビームスプ
リッタ、４……対物レンズ、５……ミラー、６……レチ
クル、７……アライメントマーク、８……投影レンズ、
９……ウェハステージ、10……フィデュシャルマーク、
11……結像レンズ、12、16……ビームスプリッタ、17…
…モニタ用受光素子、18……レーザ出力モニタ、19……
振動ミラー、20……ミラードライバ、21……スリット、
22……集光レンズ、23……受光素子、24……増幅器、25
……積分、ピークホールド回路、26……出力補正回路、
27……ローパスフィルタ、28……位相検波器、29……ロ
ーパスフィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本正樹神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (56)参考文献特開昭64−88203（ＪＰ，Ａ) 特開平１−207603（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−177421（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−274144（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−172268（ＪＰ，Ａ) 特開平１−278120（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−54648（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的に断続発光する光源を用いた照明光
学系と、位置合わせマークを有する基板と、上記光源か
ら放射され、上記基板の位置合わせマークを通った光を
拡大、投影するレンズと、この拡大、投影レンズの結像
位置に置かれたスリットと、このスリットとこのスリッ
ト上に投影された光とを上記スリットの中心を軸として
周期的に変位させる変位手段と、上記スリットを通過し
た光を検出する受光素子と、この受光素子から出力され
る離散型信号の各々の総量を検出し、その値を次の信号
が入力されるまで保持する積分、ピークホールド回路
と、上記光源の出力変動を検出するセンサと、このセン
サの出力をもとに上記受光信号を補正する出力補正回路
と、上記積分、ピークホールド回路の補正後出力のう
ち、高調波成分を除去するフィルタと、上記変位手段の
変位周波数を基準として上記フィルタの出力を位相検波
する位相検波器と、この位相検波器の出力を平均化する
平滑回路とを具備した位置合わせ検出装置。
【請求項２】出力変動検出センサがレンズの結像位置に
置かれたスリットと共役位置に置かれた請求項１記載の
位置合わせ検出装置。
【請求項３】受光素子と出力変動検出センサとが同一種
類のディテクタである請求項１または２記載の位置合わ
せ検出装置。
【請求項４】受光素子がホトダイオードである請求項１
ないし３のいずれかに記載の位置合わせ検出装置。
【請求項５】周期的に断続発光する光源がエキシマレー
ザである請求項１ないし４のいずれかに記載の位置合わ
せ検出装置。