JP2551049B2

JP2551049B2 - アライメント装置

Info

Publication number: JP2551049B2
Application number: JP62283365A
Authority: JP
Inventors: 伸貴馬込; 一正遠藤; 雅也小川; 博貴立野
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JPH01125823A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超LSI、液晶画面等を製造する露光装置に
利用して好適な２つの基板（例えばマスクやレチクル等
のガラス基板と感光基板）の相対的な位置合わせ（アラ
イメント）を行なうアライメントを装置に関する。

〔従来の技術〕

近年半導体素子（超LSI等）の製造においては微細化
と高密度化が進み、半導体ウェハのフォトレジスト層に
マスク（又はレチクル）のパターンを転写する装置とし
て、縮小投影型露光装置、所謂ステッパーが多用されて
きた。この種のステッパーは、投影レンズの上方にレチ
クルを配置し、このレチクルの回路パターン領域を露光
用照明系からの均一な露光光で照明することによって、
回路パターンの投影像をウェハ上の部分的な領域に投影
露光する。通常、回路パターンの投影像の寸法に対して
ウェハ前面の寸法の方が大きいため、ステッパーでは投
影レンズに対しウェハを載置する２次元移動ステージを
一定ピッチずつ歩進させて、ウェハ上の異なる部分領域
を順次露光していく。

ところで半導体デバイスの製造では、多数枚のレチク
ルを使ってウェハ上の各部分領域に異なる回路パターン
を順次重ね合わせて、所望の機能を有するデバイスを作
っている。このためそれまでに転写された回路パターン
と、これから露光すべきレチクルの回路パターンの投影
像とを、ウェハ上の各部分領域毎に正確に重ね合わせる
ための位置合わせ（アライメント）作業が不可欠であ
る。

このアライメント作業を自動化するためにオートアラ
イメント装置と呼ばれるものが、ステッパー内に組み込
まれ、実際の製造ラインで稼動している。オートアライ
メント装置として最も確実な方式は、TTR（Through Th
e Reticle）と呼ばれ、レチクル上のマーク領域とウェ
ハの部分領域に付随したマークとを投影レンズにより互
いにほぼ共役な位置関係にし、レチクル上のマークとウ
エハ上のマークとを同時に検出して、両マークのずれ量
を求め、該ずれ量が零になるようにレチクルもしくはウ
ェハを微動させる方式である。このTTR方式では、ウェ
ハ上のマークからの光情報は投影レンズとレチクルのマ
ーク領域の透明部（ガラス）とを介してアライメント光
学系に入射し、レチクルのマークからの光情報は直接ア
ライメント光学系に入射するように構成される。このよ
うにウェハ上のマークとレチクル上のマークとを同時検
出することによって、ウェハ上の１つの部分領域（以下
ショット領域とする）とレチクルのパターンの投影像と
を露光状態の位置関係でアライメントすることができ、
アライメント完了後ただちに露光動作に移ることができ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

このような従来のアライメント装置では、ウェハのマ
ークに対応した光情報として、正反射光、散乱光、又は
回折光を光電検出し、その光電信号波形を電気的に処理
することによって、マークの位置を特定している。この
ため光電信号の波形自体に何らかの歪みが加っている
と、マーク位置の特定に誤差が生じ、この誤差がアライ
メント精度を低下させることになる。最近では、より微
細なパターン（例えば線幅で0.6μｍ程度）の転写を可
能とする紫外線ステッパー等が開発されつつあり、この
微細パターンの位置合わせを十分な精度で行なうために
は、線幅の1/5〜1/10程度（0.12〜0.06μｍ）の総合ア
ライメント精度が要求される。この要求を満たすことを
考えると、上記光電信号波形の歪みは無視し得ない誤差
要因になってきている。

波形は歪ませる原因として、マークのプロセスによる
変形が掲げられるが、これ以外に、レチクルのマーク領
域中の透明部の光学特性上の不整も原因になることが判
明した。

これは、レチクルがある厚みのガラス基板であるた
め、マーク領域内の透明部にガラス内の屈折率不均一部
が存在したり、内部応力、歪みが加わったりして、その
部分で光の屈折率や反射率等が微妙に変動するためであ
る。このため、レチクルの透明部にこのような不整が生
じていると、ウェハのマークからの光情報がここを通過
したときに光束にゆらぎが生じ、光電信号の波形が本来
のものから歪むのである。

従って、本発明は上記問題点を解決し、さらに高精度
な位置検出を可能としたアライメント装置を得ることを
目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明では、ウェハ等の第１基板のマーク（WM、W
M′）を含む所定領域を、スポット光（シート状ビー
ム）による走査照明、又は均一照明する照明手段（８、
９、10、11、12、13、14、15）と、その所定領域から生
ずる光情報（散乱光、回折光、結像光束等）を、レチク
ルやマスク等の第２の基板の光透過領域（マークを構成
する窓:RM）を介して光電検出し、その光情報の第１基
板のマーク（WM、WM′）を横切る検出方向（走査方向S
L）の強度分布に対応した光電信号を出力する光電検出
手段（21、31）と、第２基板の光透過領域の光学特性の
不整（40、41）によって検出方向に関して生ずる光強度
分布の変動に対応した変動信号を予め抽出する変動抽出
手段（３、21、33）と、上記マークの位置検出時に光電
検出手段からの光電信号を、変動抽出手段に記憶された
変動信号により強度補正する補正手段（32）とを設ける
ようにした。

〔作用〕

本発明では、レチクルやマスクのアライメントマーク
が形成される透明窓領域中に生じた光学的な不整（ガラ
ス内部の歪み、表面の微小なうねり、表面に付着した油
分のシミや塵埃粒子等）によって、ウェハのマークから
の光情報が歪みを受けることに着目し、予め歪みとなる
信号波形成分のみを抽出し、実際のアライメント信号波
形を、歪みとなる信号波形成分で補正し、レチクルやマ
スクの光学的な不整があたかも存在しなかたような信号
波形に直してから、マーク位置の検出を行なうようにし
た。

〔実施例〕

第１図は、本発明の第１の実施例によるアライメント
装置を組み込んだ投影型露光装置の構成を示す図であ
る。

露光用照明系１からの露光光はレチクルＲを均一に照
明し、レチクルＲに形成された回路パターン等は投影レ
ンズ２によりウェハＷ上に像となって転写される。この
ウェハＷの表面には１μｍ程度の厚みでフォトレジスト
層が形成されている。本実施例では、投影レンズ２に関
してレチクルＲとウェハＷとは光学的に共役となるよう
に配置され、投影レンズ２は射出瞳と入射瞳とが共に無
限遠に位置する、所謂両側テレセントリック系で構成さ
れる。ところでレチクルＲの回路パターン領域の外側に
は矩形の透過窓をしたレチクルマークRMが形成され、ウ
ェハＷの１つのショット領域に付随してウェハマークWM
が形成される。２次元移動ステージ４はウェハＷを真空
吸着して投影レンズ２の投影像面に沿って２次元移動す
る。ステージ４の駆動はモータ等を含むステージ駆動系
36によって行なわれ、ステップアンドリピート方式のた
めの歩進（ステッピング）やアライメント動作のための
微動を制御する。またステージ４のウェハＷ載置面と異
なる位置には、ウェハＷ上のマークWMと同等の形状の基
準マークFMを備えた基準板３がウェハＷの正面とほぼ同
一の高さになるように固設されている。

さて、本実施例のアライメント装置は、レチクルマー
クRM、マークWM、基準マークFM等をコヒーレントなレー
ザ光で照射するためのレーザ光源８、レーザ光源８から
のレーザ光の径を拡大するビームエクスパンダ９、レチ
クルＲ上、又はウェハＷ上でのレーザスポットの形状を
長楕円形（スリット状）に整形するためのシリンドリカ
ルレンズ10、ミラー11、レーザスポットを単振動させる
振動鏡12、ミラー14、及びレンズ13、15よりなるリレー
系とで構成される走査ビーム送光系を本発明の照明手段
として備えている。そしてさらにレチクルＲのレチクル
マークRMの上方に斜設されたミラー18、このミラー18で
折り曲げられた光軸に沿って水平に配置されたテレセン
トリックな対物レンズ17、走査ビーム送光系からのレー
ザ光と各マークからの光情報とを分離するためのビーム
スプリッタ16、レンズ19、20より成るリレー系、及び光
電変換器21とで構成されるマーク検出光学系を本発明の
光電検出手段として備えている。尚、第１図の構成から
も明らかなように、アライメント用の対物レンズ17は走
査ビーム送光系の一部を成すとともに、マーク検出光学
系の一部をも成している。

上記構成において、レーザ光はレチクルＲ又はウェハ
Ｗでスリット状のスポットとして結蔵され、このスポッ
ト光の長手方向と直行する方向に振動鏡12により走査さ
れる。この振動鏡12の振れ原点はレンズ13、15、及び対
物レンズ17等によって投影レンズ２の射出瞳（又は入射
瞳）と共役に所定される。また投影レンズ２の瞳と共役
な面（瞳共役面）は、対物レンズ17とビームスプリッタ
16との間にも存在し、この瞳共役面はさらにレンズ19、
20のリレー系によって光電変換器21の受光面と共役にさ
れている。従ってこの受光面には、投影レンズ２の瞳面
でのあらゆる光の分布が結像されることになる。

また、光電変換器21の瞳共役位置（受光面）には、レ
チクルＲ、ウェハＷ、又は基準板３からの正反射光（０
次光）を遮断する空間フィルター21aが設けられ、０次
光以外の回折光（又は散乱光）は受光素子22a、22bによ
って光電検出される。

以上のように構成されたアライメント装置において
は、レーザ光によるスリット状のスポット光SBがウェハ
Ｗ上のマークWMとレチクルＲのマークRMとの夫々を横切
る方向に同時に走査し、各マークから発生した回折光や
散乱光が受光素子22a、22bにより光電検出され、走査方
向の位置に応じて強度変化する光電信号が得られる。こ
の光電信号はアンプ30により所定の利得に増幅された
後、アナログーデジタル変換器（ADC）とランダムアク
セス・メモリ（RAM）と、アドレスカウンタとを含むア
ライメント波形メモリ部31に入力する。このアライメン
ト波形メモリ部31のアドレスカウンタは、振動鏡12の駆
動系35から出力されるビーム走査位置に対応したアップ
ダウンパルスUDPを計数し、その計数値をRAMのアドレス
値として発生する。従って、このRAMにはスリット状の
スポット光がマークRM、WMを走査したときに発生する回
折・散乱光の走査方向に関する強度分布が、ADCにより
デジタル情報に変換されて格納される。一方、変動波形
メモリ部33は、マークRMの矩形透明窓部の光学特性の不
整による光強度の変動の走査方向に関する分布をデジタ
ル情報で記憶する。この変動波形メモリ部33は本発明の
変動抽出手段の一部を構成するものであり、ここに記憶
される変動分布の波形情報は、例えばレチクルＲが交換
される毎に、そのレチクルのマークRMの透明窓に対応し
て更新される。この更新の動作はレチクルＲを交換した
ときに、後述する動作のもとで受光素子22a、22bから得
られる信号波形に対して一度行なっておけば十分であ
る。従って、アライメントの際のマーク検出時に、マー
クRMの透明窓の光学的不整に対する補正を行なわないと
きは、変動波形メモリ部33内の波形情報をフラット（又
はオールクリア）にしておけばよい。

差動演算部32ぱ、アライメント時に検出された受光素
子22a、22bからの光電信号の波形情報、変動波形メモリ
部33に記憶された変動波形情報によって強度補正するも
のであり、具体的にはデジタル値の加算又は減算器で構
成される。こうして強度補正された信号波形に基づい
て、位置演算部34はマークRMとマークWMとの走査方向に
関するずれ量を求め、そのずれ量を補正するのに必要な
ステージ４の移動量をステージ駆動系36に出力する。

さて、第２図は第１図中の光電変換器21の平面を表わ
し、受光面となる円形領域の外形は、ほぼ投影レンズ２
の瞳共役像と同じ大きさに定められる。また受光面の中
央の遮光部21aをはさんだ左右（ｘ方向）には受光素子2
2a、22bが配置され、レーザ光のスリット状スポットSB
が各マークの直線的なエッジを照射したときに生じる散
乱光を受光する。さらに本実施例では受光面の中央遮光
部21aをはさんで上下（ｙ方向）には受光素子22c、22d
が配置され、スリット状スポットSBが回折格子マークを
照射したときに生じる回折光を受光する。

第３図は第１図中の基準板３の表面に形成された基準
マークFMの平面形状を表わし、マークFMxはｙ方向に直
線的に伸びたバー形状であり、マークFMyはｘ方向に直
線的に伸びたバー形状である。これら基準マークFMX、F
Myの夫々はウェハマークWMと全く同一の形状である。ま
た本実施例では、それぞれｘ方向とｙ方向にスリット状
に伸びた全体形状を有する回折格子マークFSy、FSxが基
準板３上に設けられている。この回折格子マークFSy、F
SxもマークFMx、FMyと同等に基準マークとして機能す
る。尚、基準板30の表面全体は所定の反射率（例えばウ
ェハと同程度）を有する鏡面に加工されている。

第４図（Ａ）、（Ｂ）は第１図に示した装置によって
レチクルＲとウェハＷとをアライメントするときのレチ
クルマークRM、ウェハマークWM及びスポット光SBとの各
配置関係と、そのときに得られる一般的な光電信号波形
とを表わす。スポット光SBはｙ方向にスリット状に伸ば
され、振動鏡12によってｘ方向に走査線SLに沿って走査
される。レチクルマークRMの左右の遮光領域（クロム
層）のｙ方向に伸びたエッジRM₁、RM₂及びｙ方向にスリ
ット状に形成されたウェハマークWMの左右の直線エッジ
WM₁、WM₂の夫々にスポット光SBが照射されたとき、受光
素子22a、22bの夫々は散乱光を受光し、第４図（Ｂ）に
示すように各エッジ位置でピークを持つような光電信号
波形が得られる。このような信号波形は、振動駆動系35
からのアップダウンパルスUDPによってアンプ30からの
信号レベルをデジタルサンプリングすることによって、
アライメント波形メモリ部31内のRAMに記憶される。走
査方向のサンプリング分解能（パルスUDPの１パルス当
りの走査量）はなるべく高いことが望ましく、例えば0.
01〜0.05μｍ毎に行なわれる。この信号波形に基づいた
基本的なアライメント動作は、まずレチクルマークRMの
エッジRM₁、RM₂に対応した波形上のピーク位置XR₁,XR₂
を求め、これら位置XR₁とXR₂の中心位置CRを求める。次
にウェハマークWMのエッジWM₁、WM₂に対応した波形上の
ピーク位置XW₁、XW₂を求め、その中心位置CWを求める。
そして中心位置CRとCWとのｘ方向（走査方向）のずれ量
Δｘを求め、このずれ量Δｘがほぼ零になるようにステ
ージ４を微動させることによって完了する。

ところが、レチクルマークRMの矩形透明窓（ガラス）
内に例えば第５図に示すような光学特性上の不整が生じ
ていると、ここを通ってくる光、具体的にはウェハマー
クWMからのエッジ散乱光に対応した光電信号のピーク波
形に歪みを生じることがある。第５図はレチクルＲのマ
ークRM付近の部分断面を表わし、波形歪みを起す１つの
現象を説明するものである。スリット上スポット光SBを
形成するレーザ光LBは、レチクルＲの下側の面P₂に結像
するように定められている。この下面P₂にはクロム層で
マークRMの窓を形成する遮光部が蒸着される。レーザ光
LBは下面P₂に垂直に入射しつつ、ｘ方向に走査される
が、レーザ光LBが平行なガラス板に入射することによっ
て、ガラス面の上面P₁、下面P₂とでわずかな反射光が発
生し、それがコースト光となってアライメント光学系の
方へ戻っくる。そのうちレチクルＲに入射するレーザ光
LBの光束内で反射して戻ってくるゴースト光について
は、第２図に示した光電変換器21の受光面中央の遮光部
21aでカットされるから比較的問題は少ないが、レーザ
光LBの光束外に広がって戻ってくるゴースト光51につい
ては光電変換器21の遮光部21aで完全にカットしきれず
に、受光素子22a、22bに受されることがある。しかしな
がら、その量は極めて小さいものであり、通常は光電信
号のピーク波形の波高値とくらべると格段に小さな一定
のバックグランドレベルになるだけである。

しかしながら、ガラス板の内部に光学特性の均一性を
悪化させる内部応力等による歪み部分41や、表面に微小
凹凸のうねり部40等がスポット光SBの長手方向に渡って
広く存在すると、ここをレーザ光LBが照射したときに発
生するゴースト光51は不規則な反射のされ方をして戻っ
てくる。このため、光電変換器21の受光素子22a、22bは
レーザ光LBの走査の間に不規則に光量変化するゴースト
光51を受光することになり、本来一定であるべき光電信
号のバックグラウンドレベル（ノズルレベル）がゆらぐ
ことになる。このことはマークRMの透明窓内に大きな塵
埃粒子が強固に付着した場合、あるいは透明窓内の比較
的広い範囲に油分のシミ等が付着した場合に同様の現象
として生じる。

また、レーザ光LBがウェハＷ上でスポット光SBとなっ
てウェハマークWMを走査したときに生ずるエッジ散乱光
等の情報光は、レチクルＲマークRMの透明窓を通ってア
ライメント系へ戻ってくるため、その情報光自体も歪み
部分41やうねり部40によって影響を受け、ウェハマーク
WMに対応したピーク波形にゆらぎが生じる。

さらにその情報光と、先に説明した反射によるゴース
ト光51とは、可干渉であるため、相互に干渉し合ってウ
ェハマークWMに対応したピーク波形を大きく歪ませるこ
とも起る。特にこの現象は、アライメント用の照明光と
してコヒーレントなレーザ光を使う場合、さけて通れな
い現象である。

さらにレーザ光を使う場合、レチクルＲのガラス板の
上面P₁、下面P₂間での内部反射そのものによって干渉が
生じ、この干渉の影響で信号波形が歪むことがある。

以上のようにマークRMの透明窓内に光学特性上の不整
が存在すると、光電検出された信号波形に歪みが生じ、
それによってピーク波形の中心とエッジ位置との一義的
な関係が走査方向（マーク検出方向）にシフトしてしま
い、マーク位置検出時に誤差が含まれてくることにな
る。

そこで第１の実施例においては、レチクルＲをセット
した後、マークRMの透明窓の投影像の位置に、基準板３
のマークパターンのない鏡面がくるようにステージ４を
位置決めする。そしてレーザ光のスリット状スポット光
SBを第４図（Ａ）に示したのと同様に走査する。このと
き光電変換器21の受光素子22a、22bに受光される散乱光
は、透明窓部のスポット光走査方向に関するゴースト光
のゆらぎ、ゴースト光と基準板３からの反射光との干
渉、又はレチクル内面反射による干渉等によって強度変
動したものとなる。

そこでこの様子を第６図を用いて説明する。

第６図（Ａ）は上記基準板３の鏡面をスポット光SBで
走査したときの光電波形を示し、レチクルＲのマークRM
をはさんだスタート位置Xsからエンド位置Xeまでの間で
走査が行なわれる。この信号波形では、マークRMのエッ
ジRM₁、RM₂の各位置XR₁、XR₂に対応したピーク波のみが
現われ、この２つのピーク波の間の信号レベルのゆらぎ
がマークRMの透過窓の光学特性の不整により生じたもの
である。この信号波形は一度、アライメント波形メモリ
部31に格納される。ここでピーク波は、スポット光SBの
走査方向の強度分布（ガウス分布）と相似になり、ピー
ク波のすそ野部の幅はスポット光SBの走査方向に幅とほ
ぼ等しくなる。スポット光SBの幅を５μｍ程度として、
サンプリング分解能を0.01μｍとすると、１つのピーク
波は約500点のデジタル値をもってRAMに記憶される。こ
の程度のサンプリング点数があれば、波形の再現はほぼ
忠実に行なわれる。尚、各サンプリング位置とRAMのア
ドレスとは一対一に対応付けられている。

次にアライメント波形メモリ部31は第６図（Ａ）の波
形上でマークRMの透明窓に対応した位置D₁からD₂までの
範囲の波形データを、変動波形メモリ部33のRAM的にア
ドレスを対応させて転送する。変動波形メモリ部33はデ
ータ転送のされなかった位置XsからD₁まで、及び位置D₂
からXeまでの範囲に対応したアドレスのRAM内に、一定
レベル（数値）LVのデータを格納する。こうして変動波
形メモリ部33内には第６図（Ｂ）に示すような変動波形
データが記憶される。一定レベルLVは位置D₁からD₂まで
の波形上のレベルIcの最小値よりも小さな値（零も含
む）に定められる。このレベルLVはアライメント時にウ
ェハマークWMの信号波形を強度補正した後のベースレベ
ルを決定するものである。

次にウェハＷ上の１つのショット領域が投影レンズ２
の下におおまかに位置するよう、ステージ４をステッピ
ングさせる。このときｘ方向アライメント用のレチクル
マークRMとウェハマークWMとは、先の第４図（Ａ）に示
したように整列する。そしてスポット光SBでマークRM、
WMを走査すると受光素子22a、22bで検出された散乱光量
に対応した光電信号波形は第４図（Ｂ）と同様に第６図
（Ｃ）のようになる。第６図（Ｃ）において走査位置D₁
とD₂の間に生ずる２つのピーク波形が、ウェハマークWM
のエッジWM₁、WM₂の各々に対応している。この第６図
（Ｃ）の位置XsからXeまでの信号波形は、アライメント
波形メモリ部31内のRAMに記憶される。この波形が取り
込まれた後、作動演算部32はアライメント波形メモリ部
31内の第６図（Ｃ）の波形データを変動波形メモリ部33
内の第６図（Ｂ）の波形データでレベル補正するため
に、各サンプリング位置（アドレス位置）毎に、 Is（ｘ）＝Ia（ｘ）−｛Ic（ｘ）−LV｝の減算を行なう。ここでIa（ｘ）は第６図（Ｃ）のアラ
イメント時の光電信号波形のレベルを表わし、Ic（ｘ）
は第６図（Ｂ）波形のレベルを表わす。そして算出され
たレベルIs（ｘ）により作られる波形は、第６図（Ｄ）
のようになる。第６図（Ｄ）の波形でも明らかなよう
に、位置XsからD₁までの間の波形、及び位置D₂からXeま
での間の波形は、上記減算式のもとでは何らレベル補正
されない。そして位置D₁からD₂の間では、第６図（Ｂ）
に示した変動波形のレベルLVからの変動分だけがキャン
セルされて、ベースレベルがほぼ一定のLVとなった波形
が得られる。この際、ウェハマークWMのエッジWM₁、WM₂
に対応したピーク波形に含まれる歪成分も補正されて、
比較的きれいなガウス分布波形に整形される。

次に位置演算部34は、第６図（Ｄ）のように補正され
た信号波形に基づいて、各ピーク波形の中心位置XR₁、X
R₂、XW₁、XW₂を求め、第４図（Ｂ）で説明した通り、ず
れ量Δｘを求める。尚、各ピーク波形の中心位置を求め
る手法の１つとして積分法を用いる場合は、レチクルマ
ークRMのエッジに対応したピーク波形に対しては、その
すそ野部付近のスライスレベルVr₁を設定し、ウェハマ
ークWMのエッジに対応したピーク波形に対しては、その
すそ野部付近のスライスレベルVr₂を設定する。そして
各スライスレベルVr₁、Vr₂よりも高い波形部分を一方向
から順次積分として面積を求め、その面積を半分とする
積分位置を、ピーク波形の中心位置とするようにする。
この手法は波形のピーク点に関する対称性がくずれてい
たとしても、ピーク波形全体の面積の重心に着目するた
め、比較的、精度の高いマーク位置検出が可能である。
もちろん、このような積分法以外にも、スライスレベル
Vr₁、Vr₂でピーク波形をスライスしたときの波形幅の中
心をマーク位置XR₁、XR₂、XW₁、XW₂としてもよい。

以上第１の実施例において、第６図（Ｂ）の波形デー
タは、基準板３の鏡面を走査して、散乱光検出用の受光
素子22a、22bから得られる光電信号波形である。すな
ち、実際のウェハＷの表面とは異なる鏡面で第６図
（Ｂ）の波形データを取り込むため、反射率のちがい等
によって、かならずしもきれいにキャンセルされるとは
かぎらない。そこで第６図（Ｄ）の波形データを求める
式を以下のように変形する。

Is（ｘ）＝Ia（ｘ）−Ｋ・｛Ic（ｘ）−LV｝ここでＫはレベル補正のかけ方に強弱をつける定数で
あり、補正しない場合は零であり、平均値は１である。
Ｋが１よりも大きいと補正が強くかかり、１よりも小さ
いと補正が弱くなる。このＫの最適値は予め実験的に求
めておくことがよい。

また第１実施例のウェハマークWMはスリット状のバー
マークとしたが、第７図に示すような回折格子マークW
M′としても全く同様の効果が得られる。この回折格子
マークWM′は基準板３上のマークFSxと同一形状のもの
で、これをスリット状のスポット光SBが走査すると、波
形PFのようなガウス状の回折光量分布が生じる。この場
合、回折光（±１次、±２次、±３次等）はマークWM′
の格子要素の配列方向（ｙ方向）に広がって発生するた
め、第２図に示した光電変換器21の受光素子22c、22dに
より受光される。従ってウェハマークとして回折格子マ
ークWM′を使用する場合は、受光素子22c、22dからの光
電信号と、レチクルマークRMのエッジ散乱光を検出する
受光素子22a、22bからの光電信号とを１つの信号波形に
合成するか、別個に処理するための回路を１対設けるか
すればよい。このように、回折格子マークWM′を使って
アライメントを行なうと、マークの検出率、位置検出精
度が向上する。それは回折格子マークWM′が周期構造で
あるため、ほぼ同一周期の凹凸パターンがない限り、信
号が得られないからである。このため光電信号の波形PF
は、エッジ散乱光による波形にくらべると、よりきれい
なガウス分布になり得る。そこで回折格子マークWM′を
使う場合は、第６図（Ａ）に示したマークRMの透過窓の
光学特性の不整に応じた波形データを取り込むのに、基
板３の鏡面をスポットSBで走査し、受光素子22c、22dの
光電信号を変動波形メモリ部33に記憶させることにな
る。そしてその後の処理は全く同様に実行される。

次に本発明の第２の実施例を第８図を参照して説明す
る。本実施例では変動波形メモリ部33に変動波形を記憶
させる手法、及びレベル補正時の演算が異なるのみで、
その他は同一である。また本実施例では第７図に示した
回折格子マークWM′を使いてアライメントを行なうこと
を前提とする。本実施例においては、レチクルマークRM
の透明窓の下に基準板３上の格子マークFSxを配置し、
このマークFSxを走査方向（ｘ方向）と同一の方向（矢
印SD）に一定ピッチずつ移動させては受光素子22c、22d
からの光電信号波形のピーク波形PFを抽出し、そのピー
ク値Ipを各移動位置毎に順次記憶していく。具体的な例
で説明すると、スポット光SBは振動鏡12によってレチク
ルマークRMを含む一定領域を往復走査しているが、常に
その一方向の走査時にピーク波形PFを抽出するように
し、マークFSxがレチクルマークRMのエッジRM₁からRM₂
まで一定速度で連続移動するようにステージ４を制御す
る。また変動波形メモリ部33としては、例えば第９図に
示すような回路構成にし、受光素子22c、22dからの光電
信号Ｉをサンプル・ホールド型のアナログ−デジタル変
換器（ADC）100によりピーク波PFのピーク値Ipをデジタ
ル値に変換する。そのデジタル値は、アドレスカウンタ
104によりアクセス番地が決定されるメモリ（RAM）102
に順次記憶される。ADC100とアドレスカウンタ104は、
サンプルホールドのタイミングパルスSHPに同期して動
作し、スポット光SBが一方向に走査している間、ADC100
はサンプルモードとなって、その間の最大ピークレベル
をサンプリングし、スポット光SBが逆方向に走査し始め
るとADC100はホールドモードとなって、サンプリングし
たピークレベルをデジタル値に変換する。そしてアドレ
スカウンタ104はADC100がサンプルモードとホールドモ
ードとに切りかわる毎にアドレス値を１つずつ更新して
いく。上記第９図の回路により、例えばスポット光SBが
基準板３上で0.5μｍ走査される毎に波形PFのピーク値I
pをサンプリングして変動分布の波形を記憶する場合、
振動鏡12の周波数を約200Hzとして、ステージ４は約0.5
/200（μm/Sec）、すなわち25μm/Secで等速移動させれ
ばよい。もちろんスポット光SBの往復走査の往路と復路
の両方でピーク波PFのピーク値Ipをサンプリングするよ
うにすれば、約倍の50μm/Secの速度でステージ４を移
動させればよい。また振動駆動系35からのアップダウン
パルスUDPの分解能はウェハ上で0.02μｍ程度であるた
め、RAM102に0.5μｍ毎の変動分布波形を記憶しても、
作動演算部32では直接各RAMのアドレス毎に減算等がで
きない。そこでRAM102に記憶した波形を、補間処理を行
なって同じ分解能（0.02μｍ）に変換しておく必要があ
る。もちろん、アドレスカウンタ104の１カウント分
が、アップダウンパルスUDPの１パルス分と対応するよ
うにステージ４の速度を決定しておいてもよい。すなわ
ち、振動鏡12の周波数を200Hzとし、ステージ４の速度
を１μm/Sec（又は２μm/Sec）とすれば、RAM102にはマ
ークFSxが0.02μｍ移動する毎のピーク値Ipがアドレス
順に記憶され、このRAM102の波形データとアライメント
波形メモリ部31内の波形データとは直接演算処理するこ
とがてきる。

第10図（Ａ）は、マークFSxを位置D₁〜D₂の間で移動
させてRAM102内に記憶された変動波形Ip（ｘ）の一例を
示す。この変動波形は全く同一のマークFSxの位置をず
らして得たものであり、本来、一定レベルの安定したも
のになるはずである。そこで本実施例では波形Ip（ｘ）
の最大値Itと最小値Ibと求め、この間のレベル変動をレ
チクルの透明窓の光学的不整によるものとする。第10図
（Ｂ）は第10図（Ａ）中の波形Ip（ｘ）のレベルを最大
値Itから減算して得た波形Ic₁（ｘ）と、この波形Ic
₁（ｘ）のレベルをＫ（ただし図ではＫ＞１）倍した波
形Ic₂（ｘ）とを表わす。この波形Ic₁（ｘ）（又はIc₂
（ｘ））が第５図（Ｂ）に示した波形データと対応する
変動分布であるが、第６図（Ｂ）の場合とは波形のもつ
意味が異なる。すなわち、第６図（Ｂ）で位置D₁〜D₂の
間の波形は、本来検出されるべきものではなく余分な情
報であるのに対し、第10図（Ｂ）の位置D₁〜D₂の間の波
形Ic₁（ｘ）は、本来一定値で検出されるべきものが低
下した分の情報である。従って差動演算部32での演算処
理は、アライメント波形のメモリ部31に記憶された受光
素子22c、22dからの信号波形（第７図と同様）の位置D₁
〜D₂の部分に第10図（Ｂ）の波形Ic₁（ｘ）のレベルを
加算することに変更される。

本実施例によれば、鏡面を走査する第１の実施例とく
らべてより実際的な補正が可能である。それは走査すべ
き鏡面部領域中に表面の微小凹凸やうねりがあると、そ
れが変動波形中に含まれてしまい、補正が不正確になる
からである。従って第８図に示したマークFSxの正方形
の各格子要素をｘ方向（スポット走査方向）に直線的に
伸ばして、第11図に示すようにマークRMの透明窓内の全
域に格子パターンGSを広げるようにすると、ステージ４
を等速度で移動させることなく、第１の実施例と同様の
スポット光SBの一回の走査で第10図（Ａ）の波形が得ら
れるが、格子パターンGSの一部に不整があると、その部
分で変動波形が不正確になる。もちろん基準板３の鏡面
部や、マークRMの窓内全域に広げた格子パターンGSに部
分的な不整のないことが保証されれば、これらのものを
用いた方がステージ４を等速移動させていくよりも高速
に変動波形を抽出することが可能である。

尚、ステージ４を等速移動させる方式で、ウェハマー
クを第４図（Ａ）に示したバーマークとする場合は、基
準板３上の基準マークFMxを格子マークFSxの代りに使え
ばよい。

また第１の実施例のように一回の走査で変動波形を抽
出できる場合は、複数回の走査毎の変動波形を抽出して
平均化すると、ランダムノイズによる影響が低減され、
波形の精度が向上する。さらにこのような平均化を行な
う場合は、マークRMの窓に対する鏡面部分（又は広げた
格子パターンGS）をスポット光SBの各走査毎にステージ
４を微動させて少しずつずらしていくことも効果的であ
る。

以上本発明の各実施例を説明したが、変動波形を抽出
するのに、光電変換器21の受光面に戻ってくる正反射光
（０次光）を用いてもよい。この場合、受光面の遮光部
21aの正反射光受光位置に、正反射光の光束断面寸法と
同じか、それよりも小さい寸法の透過部を形成し、この
透過部を通ってきた正反射光量を光電検出するようにす
ればよい。このときの信号波形は第10図（ａ）と同様に
得られる。

さらに本発明は、レーザ光を走査してレチクルマーク
とウェハマークを光電検出する方式以外に、レチクルマ
ークとウェハマークとをほぼ均一な照明光で照射し、両
マークの重ね合わせ像をテレビカメラ等で明視野（もし
くら暗視野）観察するとともに、テレビカメラからの画
像信号に基づいて、両マークのラスター走査方向の位置
ずれ量を求めて自動的にステージ４を微動させる方式の
アライメント系を使う際にも同様に実施できる。この場
合は、予め、求めておいた変動分布の波形で１ラスター
走査毎に得られた画像信号のレベル（又は複数本のラス
ターの画像信号の平均レベル）を補正すれば、全く同様
の効果が得られる。

また本発明の各実施例では、アライメント時にウェハ
Ｗを微動させるものとしたが、レチクルＲを微動させる
ようにしてもよい。この場合、ステップ・アンド・リピ
ート方式ではウェハ上の各ショット領域毎のアライメン
トが行なわれると、そのたびにレチクルＲが微動される
ことがあり、これによってレチクルマークRMの透明窓と
スポット光SPの走査範囲とが相対的に変化してしまう。
このため、透明窓の光学的な不整による変動分布波形を
記憶したときのレチクルＲの位置に対して、レチクルＲ
がスポット光SBの走査方向（マーク検出方向）に微動し
た量だけ、アライメント波形メモリ部31内のアライメン
ト信号波形と変動波形メモリ部33内の変動波形とはずれ
てしまうことになる。そこでレチクルＲを微動させるTT
Rアライメント法においては、変動波形を記憶したとき
のレチクルＲの初期位置を記憶し、アライメント時のマ
ーク検出動作の直前に、そのときのレチクルＲの現在位
置をレーザ干渉計等で測定し、初期位置と現在位置との
ずれ量だけ、変動波形データとアライメント信号波形デ
ータとをRAMのアドレス方向に相対的にずらしてからレ
ベル補正すればよい。

第１、第２の実施例で、レーザ光源８は露光用照明光
に近似した波長のレーザ光を発生するものとしたが、露
光用照明光の波長よりも長い波長のレーザ光（アルゴン
・レーザ等）を用い、フォトレジストによる吸収がすく
なくなるようにしてもよい。この場合は、投影レンズ２
の色収差によって、レチクルＲとウェハＷとの両方にス
ポット光SBを結像させることが難しくなるので、レチク
ルＲと投影レンズ２との間のアライメント光路中に補正
光学系を設けたり、アライメント用の対物レンズ17とビ
ームスプリッタ16との間に二重焦点素子（複屈折素子）
を挿入して、レーザ光LBのＳ偏光とＰ偏光とを色収差量
に応じた間隔だけ結像点を光軸方向にずらし、一方をレ
チクルＲのパターン面にスポット光（シートビーム）と
して結像させ、他方をレチクルＲのパターン面から上方
に色収差量だけ離れたウェハ共役面（そのレーザ光の波
形のもとでの共役面）にスポット光として結像させるよ
うにすればよい。

また本発明は、投影型露光装置以外に、マスク基板を
介してウェハを観察する方式の露光装置、例えばプロキ
シミティ方式のアライナーにも全く同様に適用できる。
また、レチクルＲの上面、又は下面の少なくとも一方
に、TTR方式によるアライメント系からの照射光（スポ
ット光）に対する反射防止膜を形成しておくと、さらに
よい効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上本発明によれば、マスク（レチクル）等の第２基
板の透明部を介してウェハ等の第１基板のマークを検出
する際、その透明部の光学特性上の不整によってマーク
からの光情報が歪んで検出されても、その歪みを補正し
て常に正しい信号波形を得ることができる。このため、
特に第１基板のマークの位置検出精度が向上し、アライ
メント精度をより高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例によるアライメント装置を
組み込んだ投影型露光装置の構成を示す図、第２図は光
電変換器の受光面の構造を示す平面図、第３図は基準板
上の各種マークの配置を示す平面図、第４図（Ａ）、
（Ｂ）はレチクルマークとウェハマークとのアライメン
ト時の配置図と、それに対応して得られる光電信号の波
形図、第５図はレチクルのアライメントマーク付近のガ
ラス部分の断面図、第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、
（Ｄ）、はアライメント時の光電信号波形をレベル補正
する様子を示す波形図、第７図はウェハマークの他の形
を示す平面図、第８図は、本発明の第２実施例による変
動波形の検出動作の様子を示す図、第９図は第２実施例
における変動波形抽出部の具体的な構成を示す回路ブロ
ック図、第10図（Ａ）、（Ｂ）は第２実施例により得ら
れる変動波形の一例を示す波形図、第11図は基準板上に
設けられる回折格子パターンとレチクルマークとの関係
を示す平面図である。〔主要部分の符号の説明〕２……投影レンズ、３……基準板４……ステージ、８……レーザ光源 12……振動鏡、17……対物レンズ 21……光電変換器 22a、22b、22c、22d……受光素子 31……アライメント波形メモリ部 32……変動演算部、33……変動波形メモリ部 40……うねり、41……歪み 51……ゴースト光、Ｒ……レチクルＷ……ウェハ、SB……スポット光 RM……レチクルマーク WM、WM′……ウェハマーク FMx、FMy、FSx、FSy……基準マーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アライメント用のマークを有する第１基板
と、少なくとも該第１基板のマークに対応した領域を光
透過部とした第２基板とを相対的に位置合わせする際
に、前記第２基板の光透過領域を介して前記第１基板の
マークを光学的に検出するアライメント装置において、前記第１基板のマークを含む所定領域を照明する照明手
段と；該所定領域内から生ずる光情報を前記第２基板の光透過
領域を介して光電検出し、該光情報の前記第１基板のマ
ークを横切る検出方向の強度分布に対応した光電信号を
出力する光電検出手段と；前記第２基板の光透過領域の光学特性の不整によって前
記検出方向に関して生ずる光強度の分布の変動に対応し
た変動信号を予め抽出する変動抽出手段と；前記光電検出手段からの光電信号を前記変動抽出手段か
らの変動信号により強度補正して、補正された信号を作
り出す補正手段とを備え、該補正された信号に基づいて
前記マークの前記検出方向に関する位置を決定すること
を特徴とするアライメント装置。
【請求項２】前記変動抽出手段は、前記第１基板のマー
ク、もしくは該マークとほぼ同等の基準マークと、前記
第２基板の光透過領域とを前記検出方向に所定量ずつ相
対移動させる移動部材と、該移動部材による所定量の移
動毎に、前記光電検出手段から出力された光電信号の前
記第１基板のマーク、もしくは前記基準マークに対応し
たレベルを前記変動信号として順次記憶する記憶回路と
を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
装置。
【請求項３】前記変動抽出手段は、前記第１基板の代り
に前記第２基板の光透過領域に対応した位置に配置され
る反射部材と、該反射部材で反射して前記第２基板の光
透過領域を通ってきた光情報の前記検出方向に関する強
度分布を前記光電検出手段により検出し、出力された光
電信号のレベルを前記変動信号として記憶する記憶回路
とを備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の装置。
【請求項４】前記照明手段は、前記第２基板の光透過領
域を介して前記第１基板ヘビームスポットを照射すると
ともに、該ビームスポットを前記検出方向に走査するビ
ーム照射系で構成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の装置。