JPH07119575B2 - Exposure equipment - Google Patents
Exposure equipmentInfo
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- JPH07119575B2 JPH07119575B2 JP2157954A JP15795490A JPH07119575B2 JP H07119575 B2 JPH07119575 B2 JP H07119575B2 JP 2157954 A JP2157954 A JP 2157954A JP 15795490 A JP15795490 A JP 15795490A JP H07119575 B2 JPH07119575 B2 JP H07119575B2
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- JP
- Japan
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- alignment
- reticle
- wafer
- light
- grating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、微細パターンを持つ1ミクロンもしくはそれ
以下のサブミクロンのルールを持つ半導体装置等の露光
装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exposure apparatus such as a semiconductor device having a fine pattern and a submicron rule of 1 micron or less.
従来の技術 半導体装置は最近ますます高密度化され、各々の素子の
微細パターンの寸法は1ミクロン以下に及んでいる。従
来からのLSI製造時のフォトマスクとLSIウエハの位置合
わせは、ウエハに設けた位置合わせマークを用いて、ウ
エハを着装したステージの回転と2軸平行移動により、
フォトマスク上のマークとウエハ上のマークを重ね合わ
せることによって行っていたが、その位置合わせ精度は
±0.3ミクロン程度あり、サブミクロンの素子を形成す
る場合には、合わせ精度が悪く実用にならない。2. Description of the Related Art Semiconductor devices have been densified more and more recently, and the size of the fine pattern of each element is less than 1 micron. The conventional alignment of the photomask and the LSI wafer at the time of manufacturing the LSI is performed by using the alignment mark provided on the wafer, by rotating the stage on which the wafer is mounted and by biaxial translation.
This was done by overlaying the marks on the photomask and the marks on the wafer, but the alignment accuracy is about ± 0.3 microns, and when forming submicron elements, the alignment accuracy is poor and not practical.
そこで、レチクルとウエハとの位置合わせの精度を向上
させるために、例えば、USP4,771,180号に開示されてい
るように、2光束干渉法を用いる方法が提案されてい
る。この方法では、第16図に示すように、回路パターン
が形成されたレチクル120とウエハ110との位置合わせ
に、そのレチクル120に設けられた位置合わせ格子121が
使用される。この位置合わせ格子121に、位置合わせ用
の光源から照射された光線122が照射される。位置合わ
せ格子121に照射された光線122は、この位置合わせ格子
121にて回折され、その回折光112Pが位置合わせ用光学
系130および縮小投影レンズ140を通して、ウエハステー
ジ150上に載置されたウエハ110上に投影される。1は回
路パターン露光の光で、レンズ140を通してレチクルの
回路パターンをウエハ上に投影する。位置合わせ用光学
系130は第17図(a)に示すように、一対のフーリエ変
換レンズ131および132、空間フィルター133、3つのミ
ラー134,135,136を有している。位置合わせ用光学系130
は、レチクル120上の位置合わせ格子121に入射して回折
された光を、一対のフーリエ変換レンズ131および132、
空間フィルター133により、±1次光123,124のみを選択
して、フーリエ変換レンズ131および132の後焦点位置で
交差させて干渉縞を生成し、縮小投影レンズ140により
ウエハ110上に投影される。ウエハ110上にも位置合わせ
用の格子111が設けられており、この格子111により回折
されて干渉した光200は、縮小投影レンズ140および位置
合わせ用光学系130を通して光検出器160(第17図(a)
参照)により検出される。そして、光検出器160にて検
出される干渉光に基づいて、ウエハ110上の格子111と2
光束干渉縞125との位置づれを検出し、その検出結果に
基づいて、ウエハ110がレチクル120に対して移動される
ことにより、ウエハ110とレチクル120が位置合わせされ
る。そして、このような位置合わせ後に、レチクル120
上の回路パターンが露光用の光Lにてウエハ110上に露
光される。このように、2光束干渉法を用いる方法で
は、レチクル120上の格子121とウエハ110上の格子111と
が、2光束干渉縞125を媒介として、位置合わせされる
ために、レチクル120とウエハ110とが高精度で位置合わ
せされる。Therefore, in order to improve the alignment accuracy between the reticle and the wafer, a method using a two-beam interference method has been proposed, as disclosed in USP 4,771,180. In this method, as shown in FIG. 16, an alignment grating 121 provided on the reticle 120 is used for alignment between the reticle 120 having a circuit pattern and the wafer 110. The light beam 122 emitted from the light source for alignment is applied to the alignment grating 121. The light beam 122 emitted to the alignment grid 121 is
The diffracted light 112P diffracted at 121 is projected onto the wafer 110 mounted on the wafer stage 150 through the alignment optical system 130 and the reduction projection lens 140. Reference numeral 1 denotes light for exposing a circuit pattern, which projects a circuit pattern of a reticle onto a wafer through a lens 140. As shown in FIG. 17A, the alignment optical system 130 has a pair of Fourier transform lenses 131 and 132, a spatial filter 133, and three mirrors 134, 135 and 136. Alignment optical system 130
Is a pair of Fourier transform lenses 131 and 132, which diffracts the light that is incident on the alignment grating 121 on the reticle 120 and is diffracted.
Only the ± first-order lights 123 and 124 are selected by the spatial filter 133 and crossed at the back focal positions of the Fourier transform lenses 131 and 132 to generate interference fringes, which are projected onto the wafer 110 by the reduction projection lens 140. A positioning grating 111 is also provided on the wafer 110, and the light 200 diffracted by the grating 111 and interfered with each other passes through the reduction projection lens 140 and the positioning optical system 130, and a photodetector 160 (see FIG. 17). (A)
). Then, based on the interference light detected by the photodetector 160, the gratings 111 and 2 on the wafer 110 are
The misalignment with the light flux interference fringes 125 is detected, and the wafer 110 is moved with respect to the reticle 120 based on the detection result, whereby the wafer 110 and the reticle 120 are aligned. Then, after such alignment, the reticle 120
The upper circuit pattern is exposed on the wafer 110 by the exposure light L. As described above, in the method using the two-beam interference method, since the grating 121 on the reticle 120 and the grating 111 on the wafer 110 are aligned with each other through the two-beam interference fringes 125, the reticle 120 and the wafer 110 are aligned. And are aligned with high precision.
発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような方法では、レチクル120と縮
小投影レンズ140との間に、位置合わせ用光学系130を設
けなければならない。この位置合わせ用光学系130は、
一対のフーリエ変換レンズ131および132、2つのミラー
134,136等の多数の光学部材が必要であり、構成が複雑
である。このため、色収差補正、レチクル120上の格子1
21により形成される干渉縞125の結像位置の調整、等の
ための光学調整が困難である。また、位置合わせ用光学
系130におけるそれぞれの光学部材の位置が、経時的に
変動するという問題もある。さらに、位置合わせ用光学
部材130がレチクル120に対して固定されているために、
レチクル120上の回路パターン129をウエハ110に露光す
るときに、この位置合わせ用光学部材130により露光範
囲が狭められるという問題がある。前述したように、こ
の方法によれば、レチクル120とウエハ110とが高精度で
位置合わせできるという利点を有している。しかし、実
際の半導体プロセスでは、多数の異なる種類のレチクル
により回路パターンが重ねて露光されるために、各レチ
クル毎に位置合わせ用の格子121の形成位置を異ならせ
る必要がある。レチクル120における格子121の形成位置
は、第18図に示すように、回路パターンの露光領域128
の外側であって、位置合わせのための光線が照射される
領域127a、127bに限定される。このため、ウエハ110上
に形成される回路パターンが制限されるという問題もあ
る。さらに、レチクル120とウエハ110との位置合わせ
は、ウエハステージ150を移動させて、その移動に伴う
ウエハ110上の位置合わせ用の格子111から回折した干渉
光の光出力の変化に基づいて行われている。このため、
ウエハステージ150の振動に起因して干渉光の検出信号
のS/N比が低下するおそれがある。また、スループット
も低いという問題もある。このような方式に替えて光ヘ
テロダイン干渉を利用した縮小投影露光法におけるレチ
クルとウエハとの位置合わせをする方法が、第36回春季
応用物理学会予稿集(1989),1a−K−8,P.560に報告さ
れている。この方法では、第19図に示すように、He−Ne
2周波レーザ230から発振されるレーザ光は、レチクル22
0上の位置合わせ格子221へ照射される光と、ウエハステ
ージ250上に載置されたウエハ210上の位置合わせ格子21
1へ照射される光とに、シャッター260により切り換えら
れる。シャッター260により切り換えられる光の一方
は、レチクル220上の位置合わせ格子221へ照射され、他
方の光は、レチクル221に設けられたスリット222を通過
した後に、縮小投影レンズ240を通過して、ウエハ210上
の位置合わせ格子211へ照射される。各位置合わせ格子2
11および221に照射され回折した±1次光は、色補正レ
ンズ271、レンズ272、偏光ビームスプリッタ273、レン
ズ274、偏光板275、スリット276を順次通過して、光電
変換素子277に入射する。そして、この光電変換素子277
にて検出されるそれぞれの干渉光の位相差に基づいて、
レチクル220と、ウエハ210との位置合わせが行われる。
この方法では、レチクル220上の位置合わせ格子221へ照
射される光と、ウエハ210上の位置合わせ格子211に照射
される光が、シャッター260にて切り換えられるため
に、スループットが低下するという問題がある。また、
この方法では、位置合わせに不必要な偏光面を有する光
が位置合わせ光に混入して、位置合わせ精度が低下する
ことが報告されている。However, in such a method, the alignment optical system 130 must be provided between the reticle 120 and the reduction projection lens 140. This alignment optical system 130
A pair of Fourier transform lenses 131 and 132, two mirrors
A large number of optical members such as 134 and 136 are required, and the structure is complicated. Therefore, chromatic aberration correction, the grating 1 on the reticle 120
It is difficult to adjust the image formation position of the interference fringes 125 formed by 21 for optical adjustment. There is also a problem that the position of each optical member in the alignment optical system 130 changes with time. Further, since the alignment optical member 130 is fixed to the reticle 120,
When the circuit pattern 129 on the reticle 120 is exposed on the wafer 110, there is a problem that the alignment optical member 130 narrows the exposure range. As described above, this method has an advantage that the reticle 120 and the wafer 110 can be aligned with high accuracy. However, in an actual semiconductor process, since the circuit patterns are overlaid and exposed by a large number of different types of reticles, it is necessary to make the formation position of the alignment grating 121 different for each reticle. As shown in FIG. 18, the formation position of the grating 121 on the reticle 120 is the exposure area 128 of the circuit pattern.
Outside the area, and is limited to the areas 127a and 127b to which the light rays for alignment are irradiated. Therefore, there is a problem that the circuit pattern formed on the wafer 110 is limited. Further, the alignment between the reticle 120 and the wafer 110 is performed based on the change in the optical output of the interference light diffracted from the alignment grating 111 on the wafer 110 by moving the wafer stage 150. ing. For this reason,
Due to the vibration of the wafer stage 150, the S / N ratio of the detection signal of the interference light may decrease. There is also the problem of low throughput. The method of aligning the reticle and the wafer in the reduction projection exposure method using optical heterodyne interference instead of such a method is described in the 36th JSAP Spring Meeting of Applied Physics (1989), 1a-K-8, P. Reported at .560. In this method, as shown in FIG. 19, He-Ne
The laser light emitted from the dual-frequency laser 230 is emitted from the reticle 22.
The light radiated to the alignment grid 221 on 0 and the alignment grid 21 on the wafer 210 mounted on the wafer stage 250.
The light emitted to 1 is switched by the shutter 260. One of the lights switched by the shutter 260 is applied to the alignment grating 221 on the reticle 220, and the other light passes through the slit 222 provided in the reticle 221, then passes through the reduction projection lens 240, and the wafer. The alignment grating 211 on 210 is illuminated. Each alignment grid 2
The ± first-order light that has been applied to 11 and 221 and diffracted passes sequentially through the color correction lens 271, the lens 272, the polarization beam splitter 273, the lens 274, the polarizing plate 275, and the slit 276, and then enters the photoelectric conversion element 277. And this photoelectric conversion element 277
Based on the phase difference of each interference light detected in
The reticle 220 and the wafer 210 are aligned with each other.
In this method, since the light emitted to the alignment grating 221 on the reticle 220 and the light emitted to the alignment grating 211 on the wafer 210 are switched by the shutter 260, there is a problem that throughput is lowered. is there. Also,
With this method, it has been reported that light having a polarization plane unnecessary for alignment is mixed into the alignment light, and the alignment accuracy decreases.
したがって本発明は、同一干渉縞を用いて同時にレチク
ルとウエハ上の位置合わせを行う事により、高精度かつ
高スループットの位置合わせを実現する事を目的とす
る。さらに、位置合わせ光学系をレチクル上に設ける事
により従来の第17図の例に見られた位置合わせ光学系の
変位に基づく重ね合わせずれが発生しなくなり、レチク
ルとウエハの高精度な位置合わせを実現する事を目的と
する。Therefore, it is an object of the present invention to realize highly accurate and high-throughput alignment by simultaneously aligning a reticle and a wafer using the same interference fringe. Furthermore, by providing the alignment optical system on the reticle, the misalignment due to the displacement of the alignment optical system seen in the conventional example of FIG. 17 does not occur, and the reticle and the wafer can be aligned with high accuracy. The purpose is to achieve.
課題を解決するための手段 本発明は、わずかに周波数が異なっており相互に干渉し
得る位置合わせ用の2光束を、ウエハ上の所定位置に設
けられた位置合わせ格子に、この位置合わせ格子上で干
渉縞が形成されるように、レチクルに設けられた窓およ
び縮小投影レンズを通して照射すると同時に、レチクル
上の所定位置に設けられた位置合わせ格子に位置合わせ
格子上で前記干渉縞が形成されるように照射する位置合
わせ光学系と、レチクル上の位置合わせ格子により回折
されて干渉した±1次光のヘテロダインビート信号を検
出する第1光検出器と、ウエハ上の位置合わせ格子によ
り回折されて干渉した±1次光のヘテロダインビート信
号を検出する第2光検出器と、前記第1光検出器および
第2光検出器により検出されたそれぞれのヘテロダイン
ビート信号の位相差を検出する位相計と、この位相計に
より検出された各ヘテロダインビート信号の位相差を検
出し、この位相差に基づきレチクルに対するウエハの相
対位置を計測し、しかるのちにレチクル又はウエハの位
置を変位させて位置合わせする事を特徴とする位置合わ
せ光学装置を提供する。Means for Solving the Problems According to the present invention, two aligning light fluxes having slightly different frequencies and capable of interfering with each other are provided on an aligning grating provided at a predetermined position on a wafer. So that the interference fringes are formed through the window and the reduction projection lens provided on the reticle, and at the same time, the interference fringes are formed on the alignment grating on the alignment grating provided at a predetermined position on the reticle. The alignment optics that irradiate the light, the first photodetector that detects the heterodyne beat signal of the ± 1st-order light that is diffracted by the alignment grating on the reticle, and interferes A second photodetector for detecting the interfering ± 1st-order light heterodyne beat signals, and respective heters detected by the first photodetector and the second photodetector. A phase meter that detects the phase difference of the dyne beat signal and the phase difference of each heterodyne beat signal detected by this phase meter are detected, the relative position of the wafer to the reticle is measured based on this phase difference, and then the reticle Alternatively, there is provided an alignment optical device characterized by displacing the position of a wafer for alignment.
作用 本発明によれば、同一の干渉縞を用いてレチクル上の位
置合わせ格子と半導体ウエハ上の位置合わせ格子を同時
に行なう事が可能となる。それ故に、レチクルとウエハ
との格子を別々に位置合わせする従来例に比較して重ね
合わせ精度、スループットが高い。又、本発明によれ
ば、従来例のように、レチクルと縮小投影レンズ間に位
置合わせ光学系を要しない。それ故に、位置合わせ光学
系の経時変化に伴う、重ね合わせ位置の変動がなく安定
である。又、従来例のような複雑な位置合わせ光学系の
調整がなく、縮小投影露光装置の生産性が良いという利
点がある。Operation According to the present invention, it is possible to simultaneously perform the alignment grating on the reticle and the alignment grating on the semiconductor wafer by using the same interference fringe. Therefore, the overlay accuracy and throughput are higher than in the conventional example in which the gratings of the reticle and the wafer are separately aligned. Further, according to the present invention, unlike the conventional example, a positioning optical system is not required between the reticle and the reduction projection lens. Therefore, there is no fluctuation in the overlaying position due to the aging of the alignment optical system, which is stable. Further, there is an advantage that the reduction projection exposure apparatus has a good productivity because there is no complicated adjustment of the alignment optical system as in the conventional example.
実施例 本発明の位置合わせ装置は、第1図に示すように、縮小
投影露光法における半導体ウエハ10とレチクル20とを位
置合わせするために使用される。半導体ウエハ10は、ウ
エハステージ30上に載置され、表面にフォトレジストが
塗布されている。レチクル20の中央部には、第2図に示
すように、所定の回路パターンが形成される回路パター
ン領域22が四角形状に設けられている。レチクル20とウ
エハ10との間には、第1図に示すように、縮小投影レン
ズ40が設けられており、レチクル20上の回路パターン領
域22は、この縮小投影レンズ40により、ウエハ10上に縮
小されて投影される。本実施例では、レチクル20とウエ
ハ10が、TTR(Through the lens)−on axis方式で位置
合わせされる。ウエハステージ30は、X−Y−Z方向へ
の移動可能、あおり補正、およびθ方向の回転の回動が
可能である。レチクル20には、第2図に示すように、3
つの窓群25,25,25が、それぞれ設けられている。各窓群
25は、四角形状になった回路パターン領域22の3つの直
線上の外周縁の外側に位置している。各窓群25は、それ
ぞれ3つの窓25aを有しており、各窓群25におけるそれ
ぞれの窓25aは回路パターン領域22の各外周縁に沿って
並んでいる。各窓群25は、レチクル20がウエハ10のLSI
チップ領域に露光された場合に、そのLSIチップ領域内
に各窓群25の投影像が形成されるように設けられてい
る。レチクル20には、位置合わせ格子群21が、各窓群25
の外側に各窓群25の窓25aとペアになるように、3つの
位置合わせ格子21aがそれぞれ設けられている。各位置
合わせ格子群21は、レチクル20とウエハ10とのX方向、
Y方向、およびθ方向それぞれの位置ずれを検出するた
めに使用される。レチクル20の周縁部の下面は遮光帯23
により覆われている。この遮光帯23は、各窓群25の窓25
aを覆わずに、各位置合わせ格子群21の位置合わせ格子2
1aだけを覆っている。ウエハ10上にも3つの位置合わせ
格子群11(第1図参照)が設けられている。各位置合わ
せ格子群11は、3つの位置合わせ格子11aをそれぞれ有
している。各位置合わせ格子群11におけるそれぞれの位
置合わせ格子11aは、レチクル20に設けられた各窓群25
の所定の窓25aが縮小投影レンズ40を通してウエハ10上
に投影された場合に、その窓25aの投影部分内に位置す
るように設けられている。レチクル20のペアになった各
位置合わせ格子群21および各窓群25には、第1図に示す
ように、図示しない位置合わせ光学系から2つの光束51
および52が照射される。各光束51および52の周波数は、
わずかに異なっており、両光束51および52は相互に干渉
し得る。各光束51および52は、位置合わせ格子11a上に
て交差し、干渉縞53を形成する。そして、各光束51およ
び52は、レチクル20の位置合わせ格子21aにて回折さ
れ、干渉した±1次光がレチクル20の上方に設けられた
光検出器61に照射される。この光検出器61は、レチクル
20の位置合わせ格子21aにて回折されて干渉した±1次
光の光ヘテロダインビート信号強度を検出する。また、
窓群25の各窓25aに照射された各光束51および52は、各
窓25aを通過した後に、縮小投影レンズ40を通過する。
そして、各光束51および52は、縮小投影レンズ40により
ウエハ10上に縮小投影され、ウエハ10上の位置合わせ格
子11a上に干渉縞54を形成する。各光束はウエハ10の位
置合わせ格子11aにて回折され、干渉した±1次光が縮
小投影レンズ40およびレチクル20の窓25aを通って、レ
チクル20の上方に設けられた光検出器62に照射される。
この光検出器62は、ウエハ10上の位置合わせ格子11aに
て回折された±1次光の光ヘテロダインビート信号強度
を検出する。各光検出器61および62の出力は、位相計63
に与えられており、この位相計63は、各光検出器61およ
び62にて検出されるそれぞれの光ヘテロダインビート信
号の位相差が0となるように、ウエハステージ30の駆動
回路64を制御する。本発明の位置合わせ装置における原
理を、第3図(a)および(b)に基づいて説明する。
2光束51および52をそれぞれU1、U2、それぞれの振動数
をf1、f2とする。ウエハ10上への2光束51および52の入
射角度をそれぞれθとすると、2光束51および52により
形成される干渉縞のピッチPは、次式で与えられる。EXAMPLE As shown in FIG. 1, the alignment apparatus of the present invention is used to align the semiconductor wafer 10 and the reticle 20 in the reduction projection exposure method. The semiconductor wafer 10 is placed on the wafer stage 30, and the surface thereof is coated with photoresist. As shown in FIG. 2, a circuit pattern area 22 in which a predetermined circuit pattern is formed is provided in a rectangular shape in the center of the reticle 20. As shown in FIG. 1, a reduction projection lens 40 is provided between the reticle 20 and the wafer 10, and the circuit pattern area 22 on the reticle 20 is formed on the wafer 10 by the reduction projection lens 40. The image is reduced and projected. In this embodiment, the reticle 20 and the wafer 10 are aligned by the TTR (Through the lens) -on axis method. The wafer stage 30 can be moved in the XYZ directions, can be tilted, and can be rotated in the θ direction. As shown in FIG.
Two window groups 25, 25, 25 are provided respectively. Each window group
The reference numeral 25 is located outside the outer edges of the three linear circuit pattern areas 22 on the straight line. Each window group 25 has three windows 25a, and each window 25a in each window group 25 is arranged along each outer peripheral edge of the circuit pattern region 22. In each window group 25, the reticle 20 is an LSI of the wafer 10.
It is provided so that a projected image of each window group 25 is formed in the LSI chip area when the chip area is exposed. The reticle 20 includes the alignment grid group 21 and each window group 25.
Three alignment gratings 21a are provided on the outer side of the pair of windows 25a of each window group 25 in pairs. Each alignment grid group 21 has an X direction between the reticle 20 and the wafer 10,
It is used to detect misalignment in each of the Y direction and the θ direction. The light-shielding band 23 is on the lower surface of the peripheral portion of the reticle 20.
Are covered by. This shading zone 23 is the window 25 of each window group 25.
Alignment grid 2 of each alignment grid group 21 without covering a
It only covers 1a. The wafer 10 is also provided with three alignment grid groups 11 (see FIG. 1). Each alignment grid group 11 has three alignment grids 11a. Each of the alignment gratings 11a in each of the alignment grating groups 11 includes a window group 25 provided on the reticle 20.
The predetermined window 25a is provided so as to be located within the projection portion of the window 25a when projected onto the wafer 10 through the reduction projection lens 40. As shown in FIG. 1, two light beams 51 from an alignment optical system (not shown) are provided in each of the alignment grating group 21 and each window group 25 which form a pair of the reticle 20.
And 52 are illuminated. The frequency of each luminous flux 51 and 52 is
Slightly different, both beams 51 and 52 can interfere with each other. The light beams 51 and 52 intersect on the alignment grating 11a to form interference fringes 53. Then, each of the light beams 51 and 52 is diffracted by the alignment grating 21a of the reticle 20 and the interfered ± first-order light is applied to the photodetector 61 provided above the reticle 20. This photodetector 61 is a reticle
The optical heterodyne beat signal strength of the ± first-order light that is diffracted and interfered by the alignment grating 21a of 20 is detected. Also,
The light beams 51 and 52 with which the windows 25a of the window group 25 are irradiated pass through the reduction projection lens 40 after passing through the windows 25a.
Then, each of the light fluxes 51 and 52 is reduced and projected onto the wafer 10 by the reduction projection lens 40 to form an interference fringe 54 on the alignment grating 11a on the wafer 10. Each light beam is diffracted by the alignment grating 11a of the wafer 10 and the interfered ± first-order light passes through the reduction projection lens 40 and the window 25a of the reticle 20 and irradiates the photodetector 62 provided above the reticle 20. To be done.
This photodetector 62 detects the optical heterodyne beat signal intensity of the ± first-order light diffracted by the alignment grating 11a on the wafer 10. The output of each photodetector 61 and 62 is a phase meter 63.
The phase meter 63 controls the drive circuit 64 of the wafer stage 30 so that the phase difference between the optical heterodyne beat signals detected by the photodetectors 61 and 62 becomes zero. . The principle of the alignment device of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).
The two light beams 51 and 52 are U 1 and U 2 , respectively, and their frequencies are f 1 and f 2 , respectively. When the incident angles of the two light beams 51 and 52 on the wafer 10 are θ, the pitch P of the interference fringes formed by the two light beams 51 and 52 is given by the following equation.
(ただし、λは干渉光の波長) 半導体ウエハ10上には、この干渉縞のピッチと等しいピ
ッチか、整数倍のピッチで位置合わせ格子11aが形成さ
れていると、ウエハ10の位置合わせ格子により回折され
る±1次光U1(−1)、およびU2(1)は、それぞれ次
式で表される。 (Where λ is the wavelength of the interference light) If the alignment grating 11a is formed on the semiconductor wafer 10 at a pitch equal to the pitch of the interference fringes or at an integral multiple pitch, the alignment grating of the wafer 10 causes The diffracted ± first-order lights U 1 (−1) and U 2 (1) are represented by the following equations, respectively.
U1(−1)=A(f1)exp{i(2πf1t−δ)} U2(+1)=A(f2)exp{i(2πf2t+δ)} 但し、δはウエハ上の位置合わせ格子が△xW移動した場
合の回折光の位相差であり、次式で表される。U 1 (−1) = A (f 1 ) exp {i (2πf 1 t−δ)} U 2 (+1) = A (f 2 ) exp {i (2πf 2 t + δ)} where δ is on the wafer This is the phase difference of the diffracted light when the alignment grating moves by Δx W and is expressed by the following equation.
±1次光の干渉光の強度は、次式で表される。 The intensity of the ± 1st order interference light is expressed by the following equation.
IW=|U1(−1)+U2(1)|2 =AW 2(f1)+BW 2(f2) +2AW(f2)BW(f2)cos{2π(f1−f2)t−2δ} =AW 2(f1)+BW 2(f2) +2AW(f2)BW(f2)cos2π{(f1−f2)t −2(△xW/P)} この式から明かなように、光検出器61および62により検
出されるヘテロダインビート信号の強度には、2光束干
渉縞とウエハ上の格子間の相対変位量△xWが含まれる。
同様に、レチクル20上の位置合わせ格子21aに入射して
回折した干渉光の強度IRは、次式で表される。 I W = | U 1 (-1 ) + U 2 (1) | 2 = A W 2 (f 1) + B W 2 (f 2) + 2A W (f 2) B W (f 2) cos {2π (f 1 −f 2 ) t−2δ} = A W 2 (f 1 ) + B W 2 (f 2 ) + 2A W (f 2 ) B W (f 2 ) cos 2π {(f 1 −f 2 ) t −2 (Δx W / P)} As is clear from this equation, the intensity of the heterodyne beat signal detected by the photodetectors 61 and 62 includes the two-beam interference fringes and the relative displacement Δx W between the gratings on the wafer. Be done.
Similarly, the intensity I R of the interference light that is incident on the alignment grating 21a on the reticle 20 and diffracted is expressed by the following equation.
IR=AR 2(f1)+BR 2(f2) +2AR(f2)BR(f2)cos2π{(f1−f2)t −2(△xR/P)} 従って、位相計によりウエハ10からの干渉光とレチクル
からの干渉光の位相差を測定して、その位相差を0にす
るように位置合わせすれば、干渉縞を媒介として、レチ
クル20とウエハ10との位置合わせが行える。本発明で
は、2光束が交差している領域で2光束干渉縞が生成さ
れている。それ故、焦点深度が深いので位置合わせ光と
して、縮小投影レンズの露光波長と異なる位置合わせ波
長を用いる事が容易である。第4図にウエハ10をレチク
ル20に対して移動させた場合に位相計63により計測され
る位相変化を示す。位相計63により計測される位相変化
は、干渉縞のピッチで周期的に変化する。ウエハ10が載
置されるウエハステージ30は、第5図に示すように、X
方向粗動ステージ31と、該X方向粗動ステージ31上に載
置されたY方向粗動ステージ32とを有する。該Y方向粗
動ステージ32上には、ピエゾ素子により構成されたX−
Y−θ方向ステージ33、Z−α−β方向駆動ステージ3
4、およびθ方向粗動ステージ35が順次載置されてい
る。そして、θ方向粗動ステージ35上にウエハ10が載置
される。Y方向粗動ステージ32上には、該Y方向粗動ス
テージ32の位置を検出するためのレーザ干渉測長器36が
設けられている。このようなウエハステージ30は、前述
したように、駆動回路64の出力により駆動され、該駆動
回路64は、位相計63の検出結果に基づいて制御される。
駆動回路63によるウエハステージ30の動作を第6図に示
すフローチャートに基づいて説明する。ウエハ10は、ま
ず、θ方向粗動ステージ35上に載置されて(ウエハロー
ド)、ウエハステージ30全体が、露光光源によりレチク
ル2の回路パターンが露光される位置へと移動される
(粗アライメント)。この粗アライメントは、例えば、
ウエハ10に設けられた粗アライメントマークがグローバ
ル顕微鏡により観察される位置までウエハステージ30全
体を移動させることにより実施される。次いで、ウエハ
10上の位置合わせ格子11a上に、位置合わせ用の光が照
射されるように、X方向粗動ステージ31、Y方向粗動ス
テージ32、およびθ方向粗動ステージ35がそれぞれ駆動
される(X,Y,およびθ方向グローバルアライメント)。
このグローバルアライメントは、通常のウエハプロセス
で行われているグローバルアライメントと同様に0.5μ
m程度の精度で行われる。このとき、Y方向粗動ステー
ジ32上に設けられたレーザ干渉測長器36の検出結果に基
づいて、Y方向粗動ステージ32が移動される。X方向粗
動ステージも、同様にレーザ干渉測長器(図示せず)に
基づいて移動される。その後に、レチクル20上の各位置
合わせ格子群21の位置合わせ格子21a、およびウエハ10
の各格子群11における位置合わせ格子11a、2光束51お
よび52が照射されて、前述したように、レチクル20の位
置合わせ格子21aによる干渉光とウエハ10の位置合わせ
格子11aによる干渉光との位相差が、位相計63により検
出される。そして、その位相差が0になるように、X−
Y−θ方向微動ステージが駆動される。これにより、レ
チクル20とウエハ10とが位置合わせされる。このように
して、レチクル20とウエハ10とが位置合わせされると、
レチクル20に露光用の光が直接照射され、レチクル20上
の回路パターンがウエハ10上に露光される。本実施例に
おけるレチクル20とウエハ10との位置合わせの誤差要因
を分析して、それぞれの誤差要因によるレチクル20とウ
エハ10との位置合わせ精度(誤差)について調べたとこ
ろ、第7図に示す結果が得られた。誤差要因として、2
光束干渉センサーによる、位置合わせ格子の計測再現誤
差、位置合わせ格子の製造誤差、X方向微動ステージお
よびY方向微動ステージ33の位置制御誤差、θ方向微動
ステージ35の位置制御誤差、レチクル自体の製造誤差が
考えられる。本実施例では、TTR−on axis方式により、
ウエハ10上にレチクル20の回路パターンが露光されるた
めに、ステージ30を露光位置へ移動させる際に生じる誤
差(アライメントシーケンス誤差)がなく、また、X方
向、Y方向、およびθ方向の3軸合わせを行っているた
めに、θ方向粗動ステージの移動誤差に起因する位置ず
れ誤差、および、レチクルを固定する際の位置ずれ(レ
チクルローティション)に起因する誤差も生じない。全
体としての総合誤差は、50nm/3σであった。 I R = A R 2 (f 1) + B R 2 (f 2) + 2A R (f 2) B R (f 2) cos2π {(f 1 -f 2) t -2 (△ x R / P)} Therefore , The phase difference between the interference light from the wafer 10 and the interference light from the reticle is measured by the phase meter, and if the alignment is performed so that the phase difference becomes 0, the reticle 20 and the wafer 10 are separated by the interference fringes. Can be aligned. In the present invention, the two-beam interference fringes are generated in the area where the two beams intersect. Therefore, since the depth of focus is deep, it is easy to use an alignment wavelength different from the exposure wavelength of the reduction projection lens as the alignment light. FIG. 4 shows a phase change measured by the phase meter 63 when the wafer 10 is moved with respect to the reticle 20. The phase change measured by the phase meter 63 changes periodically at the pitch of the interference fringes. The wafer stage 30 on which the wafer 10 is placed is, as shown in FIG.
It has a direction coarse movement stage 31 and a Y direction coarse movement stage 32 mounted on the X direction coarse movement stage 31. On the Y direction coarse movement stage 32, an X-
Y-θ direction stage 33, Z-α-β direction drive stage 3
4, and the θ direction coarse movement stage 35 are sequentially mounted. Then, the wafer 10 is placed on the θ direction coarse movement stage 35. A laser interferometer length measuring device 36 for detecting the position of the Y-direction coarse movement stage 32 is provided on the Y-direction coarse movement stage 32. As described above, such a wafer stage 30 is driven by the output of the drive circuit 64, and the drive circuit 64 is controlled based on the detection result of the phase meter 63.
The operation of the wafer stage 30 by the drive circuit 63 will be described based on the flowchart shown in FIG. The wafer 10 is first placed on the θ direction coarse movement stage 35 (wafer loading), and the entire wafer stage 30 is moved to a position where the circuit pattern of the reticle 2 is exposed by the exposure light source (coarse alignment). ). This coarse alignment is, for example,
This is performed by moving the entire wafer stage 30 to the position where the rough alignment mark provided on the wafer 10 is observed by the global microscope. Then the wafer
The X-direction coarse movement stage 31, the Y-direction coarse movement stage 32, and the θ-direction coarse movement stage 35 are driven so that the alignment light 11a on the alignment grating 11a is irradiated with the alignment light (X , Y, and θ direction global alignment).
This global alignment is 0.5μ, which is the same as the global alignment performed in the normal wafer process.
It is performed with an accuracy of about m. At this time, the Y-direction coarse movement stage 32 is moved based on the detection result of the laser interferometer length measuring device 36 provided on the Y-direction coarse movement stage 32. Similarly, the X-direction coarse movement stage is also moved based on a laser interferometer (not shown). After that, the alignment grid 21a of each alignment grid group 21 on the reticle 20 and the wafer 10
When the alignment grating 11a in each of the grating groups 11 is irradiated with the two light beams 51 and 52, as described above, the position of the interference light by the alignment grating 21a of the reticle 20 and the interference light by the alignment grating 11a of the wafer 10 is increased. The phase difference is detected by the phase meter 63. Then, X− is set so that the phase difference becomes zero.
The Y-θ direction fine movement stage is driven. As a result, the reticle 20 and the wafer 10 are aligned. In this way, when the reticle 20 and the wafer 10 are aligned,
The exposure light is directly applied to the reticle 20, and the circuit pattern on the reticle 20 is exposed on the wafer 10. The error factors in the alignment between the reticle 20 and the wafer 10 in the present embodiment were analyzed, and the alignment accuracy (error) between the reticle 20 and the wafer 10 due to each error factor was examined, and the results shown in FIG. 7 were obtained. was gotten. 2 as an error factor
Measurement error of alignment grating, manufacturing error of alignment grating, position control error of X direction fine movement stage and Y direction fine movement stage 33, position control error of θ direction fine movement stage 35, manufacturing error of reticle itself by light flux interference sensor Can be considered. In this embodiment, by the TTR- on axis method,
Since the circuit pattern of the reticle 20 is exposed on the wafer 10, there is no error (alignment sequence error) that occurs when the stage 30 is moved to the exposure position, and there are three axes in the X, Y, and θ directions. Since the alignment is performed, neither a positional deviation error due to a movement error of the θ direction coarse movement stage nor an error due to a positional deviation (reticle rotation) when fixing the reticle occurs. The overall error as a whole was 50 nm / 3σ.
第8図(a),(b)は重ね合わせ精度のヒストグラブ
を示している。SiO2段差を有する位置合わせ格子に対す
る従来法の重ね合わせ精度は0.15μmであるが本発明の
位置合わせ方法では55nm/3σである。さらに表面荒れを
有するAl位置合わせ格子に対しても55nm/3σの重ね合わ
せ精度が達成された。第9図は本発明方法による使用さ
れる干渉縞生成位置の安定性を示すグラフである。本発
明の方法では、環境変化に対する干渉縞生成位置の変動
量は、18時間経過した状態で、10nm以内であり、従っ
て、環境変化に対しても、高精度で位置合わせが行われ
る。このように、本発明方法では、55nm/3σという高精
度の位置合わせが実現でき、しかも、環境変化に対して
も安定した位置合わせができるために、高スループット
が可能になり、64メガビットDRAM等の高集積半導体の位
置合わせにきわめて有効である。このようなTTR−on
axis露光方式ではなく、TTL(Through the lens)−off
axis露光方式によりレチクルの回路パターンをウエハ
に露光する場合には、第10図に示すレチクル20′が使用
される。このレチクル20′の中央部には、回路パターン
が形成される四角形状の回路パターン領域26が形成され
ている。この回路パターン領域26の外周縁の外側の位置
には、1つの窓27がそれぞれ設けられている。そして、
各窓27の外側に、1つの位置合わせ格子28がそれぞれ設
けられている。ウエハ10は、前述したように、回路パタ
ーンが投影されるLSIチップ領域内に、それぞれ3つの
位置合わせ格子11aを有する位置合わせ格子群11が設け
られている。レチクル20′の外周縁部の下面は、遮光帯
29により覆われている。該遮光帯29は、各位置合わせ格
子28を覆っているが、窓27を覆っていない。このような
レチクル20′が使用されるTTL−off axisの露光方式で
は、第11図に示すウエハステージ90が使用される。この
ウエハ90ステージは、X方向粗動ステージ91上に、Y方
向粗動ステージ92およびピエゾ素子により構成されたX
−Y−θ方向微動ステージ93が順番に載せられている。
そして、該X−Y−θ方向微動ステージ93上に、Z−α
−β方向微動ステージ94、およびθ方向粗動ステージ95
が順番に載せられている。そして、θ方向粗動ステージ
95上にウエハ10が載置される。X−Y−θ方向微動ステ
ージ93上には、該X−Y−θ方向微動ステージ93の位置
を検出するためのレーザ干渉測長器96が設けられてい
る。レチクル20′とウエハ10との位置合わせは、次のよ
うに行われる。まず、ウエハステージ90全体が、ウエハ
10にレチクル20′の回路パターンが投影され得る位置に
ほぼ配置された状態で、レーザ干渉測長器46に基づい
て、所定の距離だけ移動され、ウエハ10における例えば
X方向のずれ検出用の位置合わせ格子11aが、レチクル2
0′のX方向検出用の窓26がウエハ10上に縮小投影レン
ズにより投影される位置に合わされる。この場合の位置
ずれ誤差は、0.5μm程度である。このような状態で、
位置合わせ光が投射され、前述したように、2光測干渉
縞を媒介としてヘテロダインビート信号の位相差が測定
されて、レチクル20′とウエハ10とのX方向の位置ずれ
量が検出される。同様にして、ウエハステージ90全体
が、回路パターンの露光位置から所定量だけ移動され
て、ウエハ10におけるY方向のずれ検出用およびθ方向
のずれ検出用の各位置合わせ格子11aが、レチクル20′
のY方向のずれ検出用の窓26およびθ方向のずれ検出用
の窓26それぞれに対応した位置へとそれぞれ移動され
て、レチクル20′とウエハ10とのY方向の位置ずれ量お
よびθ方向の位置ずれ量がそれぞれ検出される。このよ
うにして、レチクル20′とウエハ10のX方向、Y方向、
およびθ方向それぞれの位置ずれ量が検出されると、ウ
エハステージ90全体が、レーザ干渉測長器96に基づいて
移動され、当初の露光位置に配置される。そして、この
位置にて、レチクル20′に対するウエハステージ90の位
置が粗調整された後に、すでに測定されたX方向、Y方
向およびθ方向の位置ずれ量を補正するように、X−Y
−θ方向微動ステージ93が駆動され、ウエハ10がレチク
ル20′に対して位置合わせされる。ウエハ10がレチクル
20′に対して位置合わせされると、レチクル20′の回路
パターンがウエハ10上に露光される。なお、本実施例で
は、位置合わせ後露光位置までステージが移動するが、
レチクルステージが移動しても同様の事が実施出来る。
この場合のレチクル20′とウエハ101との位置合わせの
誤差要因を分析した結果を第12図に示す。この場合に
は、前述のTTR−on axis露光方式とは異なり、ウエハス
テージ90全体が、レチクル20′とウエハ10とのX方向、
Y方向、およびθ方向の位置ずれ量をそれぞれ検出する
ために、ウエハステージ90全体がそれぞれの方向へ移動
される。従って、ウエハステージ40の移動により誤差
(アライメントシーケンス誤差)が、30nm/3σが生じ
る。他の誤差要因は、TTR−on axis露光方式の場合と同
様であるが、X方向粗動テーブルおよびY方向粗動テー
ブルの移動誤差の量が若干増加する。その結果、全体と
しての総合誤差は、62nm/3σとなり、前記TTR−on axis
露光方式の場合よりも位置合わせ精度がわずかに低下す
るが、ウエハ上の位置合わせ格子の形成位置が限定され
ることがなく、任意の位置に形成し得る。そのため、回
路パターンをウエハ上に露光するための露光光源により
露光領域が、位置合わせのための光により狭められない
ようにできる。本発明の別の実施例を示す。本実施例で
は、第13図に示すように、位置合わせ用光学系80は、所
定波長のレーザ光を発振するレーザ光源81を有する。レ
ーザ光源81から発振されるレーザ光は、ビームスプリッ
ター82により2つの光に分割され、それぞれのレーザ光
は、第1音響光学素子83a、第2音響光学素子83bに、そ
れぞれ与えられる。そして、各音響光学素子83aおよび8
3bにより周波数変調されたそれぞれのレーザ光は、ハー
フミラー84およびレンズ群85を順次通過した後に、ミラ
ー86にてレチクル20所定の位置合わせ格子および窓に照
射される。レチクル20上の位置合わせ格子にて回折され
た干渉光、およびウエハ10の位置合わせ格子により回折
された干渉光は、ミラー86にて反射されて、レンズ群85
を通った後にハーフミラー84にて各光検出器61および62
に与えられる。各光検出器61および62の出力は位相計63
に与えられている。そして、各干渉光のヘテロダインビ
ート信号が、位相計63にて検出される。本実施例では、
レーザ光源から発振されて、ビームスプリッター82にて
分割されるレーザ光の偏光方向が一定であるため、各レ
ーザ光に異なった偏光面の混入がなく、ヘテロダインビ
ート信号の位相特性に悪影響を及ぼすおそれがない。従
って、レチクル20とウエハ10とが高精度に位置合わせさ
れる。本実施例の位置合わせ光学系80は、例えば、第14
図に示すようにして、調整される。位置合わせ光学系80
の調整にあたって、レチクル20に照射される一対の位置
合わせ光、あるいはこれらの位置合わせ光と同様の経路
でレチクル20に照射される一対の平行光を、ハーフミラ
ー84、レンズ群85、ミラー86によりレチクル20上に照射
し、レチクル20にて反射された光を、ミラー86、レンズ
群85により、ハーフミラー84に照射する。そして、その
光を、該ハーフミラー84により、ミラー87aに照射し
て、該ミラー87aにて反射させ、再度、ハーフミラー8
4、レンズ群85およびミラー86により、レチクル20に照
射する。このときの光のスポット位置が、各音響光学素
子83aおよび83bから照射されて、ハーフミラー84、レン
ズ群85、およびミラー86によって直接レチクル20上に照
射される光のスポット位置に一致するように、レンズ群
85およびミラー86が調整される。このようにして、ミラ
ー86およびレンズ群85が調整されると、同様に、一対の
平行光を、ハーフミラー84、レンズ群85およびミラー86
を通してレチクル20に照射される。レチクル20にて反射
された反射光は、同様の経路でハーフミラー84に導か
れ、該ハーフミラー84にて分割された光と、ハーフミラ
ー84に入射される光との干渉により生じる干渉縞を、CC
Dイメージセンサ87bにて捉える。そして、その干渉縞を
モニターテレビ87cに映し出して、干渉縞が鮮明になる
ように、レンズ群85およびミラー86が調整される。第15
図に位置合わせ光学系80の他の調整方法について説明す
る。この調整方法では、レチクル20にて反射された光
が、ハーフミラー84により分割されて、結像レンズ87e
を通過させられるようになっている。該結像レンズ87e
を通過した光は、回折格子87fにより回折されて、CCDイ
メージセンサ87gに照射される。結像レンズ87eは、位置
合わせ光学系80に使用される結像レンズ85と同様の光学
的能力を有したものが使用され、また、回折格子87f
は、第14図に示す位置合わせ光学系70に使用される基準
格子76と同様のものが使用される。また、結像レンズ87
e、干渉縞格子87f、およびCCDイメージセンサ87gのそれ
ぞれの位置は、3次元測長器により決定される。レチク
ル20から反射されて、ハーフミラー84にて分割された2
光束は、結像レンズ87eを通して回折格子87fに照射さ
れ、該回折格子87fにより2光束干渉縞が形成される。
そして、この干渉縞と回折格子87fとの間でモアレ縞が
生じる。このモアレ縞は、CCDイメージセンサ87gにて捉
えられて、モニターテレビ87hに映し出され、このモア
レ縞が1本になるように、ミラー86および結像レンズ85
が調整される。このように、本実施例では、位置合わせ
用光学系80の調整が容易に行えるために、レチクル20と
ウエハ10とがきわめて高精度で位置合わせされる。FIGS. 8 (a) and 8 (b) show a histograb with overlay accuracy. The overlay accuracy of the conventional method for the alignment grating having the SiO 2 step is 0.15 μm, but 55 nm / 3σ for the alignment method of the present invention. Furthermore, the overlay accuracy of 55nm / 3σ was achieved even for Al alignment gratings with surface roughness. FIG. 9 is a graph showing the stability of the interference fringe generation position used by the method of the present invention. According to the method of the present invention, the variation amount of the interference fringe generation position with respect to the environmental change is within 10 nm after 18 hours have passed, and therefore the alignment is performed with high accuracy even with respect to the environmental change. As described above, according to the method of the present invention, highly accurate alignment of 55 nm / 3σ can be realized, and since stable alignment can be performed against environmental changes, high throughput is possible, and 64-megabit DRAM etc. It is extremely effective for aligning highly integrated semiconductors. Such TTR- on
rather than the axis exposure system, TTL (Through the lens) - off
When the circuit pattern of the reticle is exposed on the wafer by the axis exposure method, the reticle 20 'shown in FIG. 10 is used. A square circuit pattern area 26 in which a circuit pattern is formed is formed in the center of the reticle 20 '. One window 27 is provided at a position outside the outer peripheral edge of the circuit pattern region 26. And
One alignment grid 28 is provided outside each window 27. As described above, the wafer 10 is provided with the alignment grid groups 11 each having three alignment grids 11a in the LSI chip area onto which the circuit pattern is projected. The lower surface of the outer peripheral edge of the reticle 20 'is a light-shielding band.
Covered by 29. The shading bands 29 cover each alignment grid 28 but not the windows 27. A wafer stage 90 shown in FIG. 11 is used in a TTL- off- axis exposure method using such a reticle 20 '. The wafer 90 stage includes an X-direction coarse movement stage 91, an X-direction coarse movement stage 92, and an X-direction coarse movement stage 92.
The −Y-θ direction fine movement stage 93 is mounted in order.
Then, Z-α is placed on the XY-θ direction fine movement stage 93.
−β direction fine movement stage 94 and θ direction coarse movement stage 95
Are listed in order. And the θ direction coarse movement stage
The wafer 10 is placed on the 95. A laser interferometer length measuring device 96 for detecting the position of the XY-θ direction fine movement stage 93 is provided on the XY-θ direction fine movement stage 93. The alignment between the reticle 20 'and the wafer 10 is performed as follows. First, the entire wafer stage 90 is the wafer
With the circuit pattern of the reticle 20 ′ being substantially arranged on the position where the reticle 20 ′ can be projected, the laser reticle 20 is moved by a predetermined distance based on the laser interferometer 46 to detect a position on the wafer 10 for detecting a deviation in the X direction, for example. The matching grid 11a is the reticle 2
The 0'X detection window 26 is aligned with the position projected on the wafer 10 by the reduction projection lens. The positional deviation error in this case is about 0.5 μm. In this state,
Positioning light is projected, and as described above, the phase difference between the heterodyne beat signals is measured via the two-photometric interference fringes, and the amount of positional deviation between the reticle 20 'and the wafer 10 in the X direction is detected. Similarly, the entire wafer stage 90 is moved by a predetermined amount from the exposure position of the circuit pattern, and the alignment gratings 11a for detecting the deviation in the Y direction and the deviation in the θ direction on the wafer 10 are moved to the reticle 20 '.
Of the reticle 20 ′ and the wafer 10 are moved to respective positions corresponding to the Y direction deviation detection window 26 and the θ direction deviation detection window 26, respectively, and the Y direction deviation amount and the θ direction deviation amount. The amount of displacement is detected respectively. In this way, the X and Y directions of the reticle 20 'and the wafer 10 are
When the amount of positional deviation in each of the .theta. And .theta. Directions is detected, the entire wafer stage 90 is moved based on the laser interferometer length measuring device 96 and placed at the initial exposure position. Then, at this position, after the position of the wafer stage 90 with respect to the reticle 20 'is roughly adjusted, the XY position is corrected so as to correct the already-measured positional deviation amounts in the X, Y, and θ directions.
The −θ direction fine movement stage 93 is driven, and the wafer 10 is aligned with the reticle 20 ′. Wafer 10 is a reticle
Once aligned with 20 ', the circuit pattern of reticle 20' is exposed on wafer 10. In this embodiment, the stage moves to the exposure position after alignment,
The same thing can be done even if the reticle stage moves.
FIG. 12 shows the result of analyzing the error factors in the alignment between the reticle 20 'and the wafer 101 in this case. In this case, unlike the above-mentioned TTR- on- axis exposure method, the entire wafer stage 90 moves in the X direction between the reticle 20 'and the wafer 10,
The entire wafer stage 90 is moved in the respective directions in order to detect the positional deviation amounts in the Y direction and the θ direction, respectively. Therefore, the movement of the wafer stage 40 causes an error (alignment sequence error) of 30 nm / 3σ. Other error factors are the same as in the case of the TTR- on- axis exposure method, but the amount of movement error of the X-direction coarse movement table and the Y-direction coarse movement table is slightly increased. As a result, the total error as a whole is 62 nm / 3σ, and the TTR- on axis is
Although the alignment accuracy is slightly lower than in the case of the exposure method, the formation position of the alignment grid on the wafer is not limited and the alignment grid can be formed at any position. Therefore, the exposure light source for exposing the circuit pattern onto the wafer can prevent the exposure region from being narrowed by the light for alignment. 3 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 13, the alignment optical system 80 has a laser light source 81 that oscillates laser light of a predetermined wavelength. The laser light emitted from the laser light source 81 is split into two lights by the beam splitter 82, and the respective laser lights are given to the first acousto-optic element 83a and the second acousto-optic element 83b, respectively. Then, each acousto-optic element 83a and 8
The respective laser lights frequency-modulated by 3b are sequentially passed through the half mirror 84 and the lens group 85, and then are irradiated onto a predetermined alignment grating and window of the reticle 20 by the mirror 86. The interference light diffracted by the alignment grating on the reticle 20 and the interference light diffracted by the alignment grating on the wafer 10 are reflected by the mirror 86 and the lens group 85.
After passing through the half mirror 84, each photodetector 61 and 62
Given to. The output of each photodetector 61 and 62 is a phase meter 63.
Is given to. Then, the heterodyne beat signal of each interference light is detected by the phase meter 63. In this embodiment,
Since the polarization direction of the laser light emitted from the laser light source and split by the beam splitter 82 is constant, there is no mixing of different polarization planes in each laser light, which may adversely affect the phase characteristics of the heterodyne beat signal. There is no. Therefore, the reticle 20 and the wafer 10 are aligned with high accuracy. The alignment optical system 80 of the present embodiment is, for example, the 14th
It is adjusted as shown. Alignment optics 80
In adjusting the, a pair of alignment light emitted to the reticle 20 or a pair of parallel light emitted to the reticle 20 in the same path as the alignment light is adjusted by the half mirror 84, the lens group 85, and the mirror 86. The light reflected on the reticle 20 and reflected by the reticle 20 is applied to the half mirror 84 by the mirror 86 and the lens group 85. Then, the half mirror 84 irradiates the light to the mirror 87a, and the half mirror 8a reflects the light again.
4. The reticle 20 is illuminated by the lens group 85 and the mirror 86. The spot position of the light at this time is made to coincide with the spot position of the light emitted from each of the acousto-optic elements 83a and 83b and directly emitted onto the reticle 20 by the half mirror 84, the lens group 85, and the mirror 86. , Lens group
85 and mirror 86 are adjusted. In this way, when the mirror 86 and the lens group 85 are adjusted, a pair of parallel light beams are similarly transmitted to the half mirror 84, the lens group 85, and the mirror 86.
The reticle 20 is irradiated through. The reflected light reflected by the reticle 20 is guided to the half mirror 84 through a similar path, and an interference fringe generated by the interference between the light split by the half mirror 84 and the light incident on the half mirror 84 is generated. , CC
Captured by D image sensor 87b. Then, the interference fringe is displayed on the monitor television 87c, and the lens group 85 and the mirror 86 are adjusted so that the interference fringe becomes clear. 15th
Another method for adjusting the alignment optical system 80 will be described with reference to the drawings. In this adjusting method, the light reflected by the reticle 20 is split by the half mirror 84, and the image forming lens 87e is formed.
Are allowed to pass through. The imaging lens 87e
The light passing through is diffracted by the diffraction grating 87f and is applied to the CCD image sensor 87g. As the imaging lens 87e, one having the same optical ability as the imaging lens 85 used in the alignment optical system 80 is used, and the diffraction grating 87f is used.
Is the same as the reference grating 76 used in the alignment optical system 70 shown in FIG. Also, the imaging lens 87
The respective positions of e, the interference fringe grating 87f, and the CCD image sensor 87g are determined by the three-dimensional length measuring device. 2 reflected from reticle 20 and split by half mirror 84
The luminous flux is applied to the diffraction grating 87f through the imaging lens 87e, and the diffraction grating 87f forms a two-beam interference fringe.
Then, moire fringes are generated between the interference fringes and the diffraction grating 87f. The moiré fringes are captured by the CCD image sensor 87g and are displayed on the monitor TV 87h, and the mirror 86 and the imaging lens 85 are arranged so that the moiré fringes become one.
Is adjusted. As described above, in the present embodiment, since the alignment optical system 80 can be easily adjusted, the reticle 20 and the wafer 10 are aligned with extremely high accuracy.
発明の効果 本発明の位置合わせ光学装置は、縮小投影露光装置にお
いて、レチクルとウエハとを高精度で位置合わせするこ
とができる。レチクル上に設けられた位置合わせ格子
は、ウエハ上に縮小投影され、近接露光装置におけるマ
スク上に設けられる位置合わせ格子のピッチに対して通
常5倍のピッチとされるために、位置合わせ格子を高精
度で設けることができ、さらに高精度の位置合わせが可
能になる。レチクル上の位置合わせ格子のピッチが大き
くできるために、位置合わせ格子に光を照射する位置合
わせ光学系は高性能である必要がなく、安価な位置合わ
せ光学系が使用できる。しかも、レチクルにおける位置
合わせ格子およびウエハにおける位置合わせ格子に同時
に2光束が照射されるために、高スループットで位置合
わせが行われる。Effects of the Invention The alignment optical device of the present invention can align a reticle and a wafer with high accuracy in a reduction projection exposure apparatus. The alignment grid provided on the reticle is reduced and projected on the wafer, and is usually five times the pitch of the alignment grid provided on the mask in the proximity exposure apparatus. It can be provided with high accuracy, and more accurate positioning can be performed. Since the pitch of the alignment grating on the reticle can be increased, the alignment optical system that irradiates the alignment grating with light does not need to have high performance, and an inexpensive alignment optical system can be used. Moreover, since the two beams are simultaneously irradiated to the alignment grating on the reticle and the alignment grating on the wafer, the alignment is performed with high throughput.
第1図は本発明の露光装置におけるレチクルとウエハと
の位置合わせ光学装置の一例を示す構成図、第2図はレ
チクルの一例を示す平面図、第3図(a)は本発明の位
置合わせ光学装置の原理を説明するための概略図、第3
図(b)はウエハの位置合わせ格子による干渉光および
レチクルの位置合わせ格子による干渉光のヘテロダイン
ビート信号を示すグラフ、第4図はレチクルとウエハと
の相対変動に対する位相変化を示すグラフ、第5図はウ
エハステージの構成図、第6図は位置合わせ光学装置の
動作を説明するフローチャート、第7図はTTR−on axis
露光装置における位置合わせ光学装置の誤差要因と誤差
の関係を示す図、第8図(a),(b)はSiO2段差およ
びAl表面荒れ格子に対する重ね合わせ精度を示す図、第
9図は干渉縞の経時的変動量を示すグラフ、第10図はレ
チクルの他の例を示す平面図、第11図はウエハステージ
の他の例を示す構成図、第12図はTTR−on axis露光方式
における位置合わせ光学装置の誤差要因と誤差を示す
図、第13図は位置合わせ光学系の他の例を示す構成図、
第14図はその位置合わせ光学系の調整方法の説明図、第
15図(a),(b)はその位置合わせ光学系の他の調整
方法の説明図、第16図は従来の位置合わせ光学装置の一
例を示す構成図、第17図(a)はその要部の拡大図、第
17図(b)はその原理の説明図、第18図はその位置合わ
せ光学装置に使用されるレチクルの平面図、第19図は従
来の位置合わせ光学装置のさらに他の例を示す構成図で
ある。 10……半導体ウエハ、20……レチクル、25a……窓、30
……ウエハステージ、11…格子群、40……縮小投影レン
ズ、51,52……光束、61,62……光検出器、63……位相
計、64……駆動回路。FIG. 1 is a block diagram showing an example of an alignment optical device for aligning a reticle and a wafer in an exposure apparatus of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing an example of a reticle, and FIG. Schematic diagram for explaining the principle of the optical device, third
FIG. 4B is a graph showing the heterodyne beat signal of the interference light from the wafer alignment grating and the interference light from the reticle alignment grating, and FIG. 4 is a graph showing the phase change with respect to the relative variation between the reticle and the wafer. The figure is a block diagram of the wafer stage, FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the alignment optical device, and FIG. 7 is the TTR- on axis.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing overlay accuracy with respect to a SiO 2 step and an Al surface roughened lattice, and FIG. 9 is an interference diagram. Fig. 10 is a plan view showing another example of the reticle, Fig. 11 is a configuration diagram showing another example of the wafer stage, and Fig. 12 is a TTR- on axis exposure method. FIG. 13 is a diagram showing error factors and errors of the alignment optical device, FIG. 13 is a configuration diagram showing another example of the alignment optical system,
FIG. 14 is an explanatory view of the adjustment method of the alignment optical system,
15 (a) and 15 (b) are explanatory views of another adjusting method of the alignment optical system, FIG. 16 is a configuration diagram showing an example of a conventional alignment optical device, and FIG. Enlarged view of part, No.
FIG. 17 (b) is an explanatory view of the principle, FIG. 18 is a plan view of a reticle used in the alignment optical device, and FIG. 19 is a configuration diagram showing still another example of the conventional alignment optical device. is there. 10 ... Semiconductor wafer, 20 ... Reticle, 25a ... Window, 30
...... Wafer stage, 11 ... Lattice group, 40 ... Reduction projection lens, 51, 52 ... Luminous flux, 61, 62 ... Photodetector, 63 ... Phase meter, 64 ... Driving circuit.
Claims (7)
エハに縮小投影する際に、前記レチクルとウエハとを位
置合わせするための光学装置であって、露光波長とは異
なりわずかに周波数が相違し相互に平行でなく干渉し得
る位置合わせ用の2光束を、前記ウエハ上の所定位置に
設けられた位置合わせ格子に、前記位置合わせ格子上で
干渉縞が形成されるように、前記レチクルに設けられた
窓および縮小投影レンズを通して照射すると同時に、前
記レチクル上の所定位置に設けられた位置合わせ格子に
この位置合わせ格子上で前記干渉縞が形成されるように
照射する位置合わせ光学系と、前記レチクル上の位置合
わせ格子により回折されて干渉した±1次光のヘテロダ
インビート信号を検出する第1光検出器と、前記ウエハ
上の位置合わせ格子により回折されて干渉した±1次光
のヘテロダインビート信号を検出する第2光検出器と、
前記第1光検出器および第2光検出器により検出された
それぞれのヘテロダインビート信号の位相差を検出する
位相計とを有し、前記位相計により検出された各ヘテロ
ダインビート信号の位相差を検出しこの位相差に基づき
レチクルに対するウエハの相対位置を計測し、前記レチ
クルまたはウエハの位置を変化させて位置合わせを行う
ことを特徴とする露光装置。1. An optical device for aligning the reticle and the wafer when reducing and projecting a circuit pattern provided on the reticle onto a wafer, which is slightly different in frequency from the exposure wavelength. Two light beams for alignment, which are not parallel to each other and may interfere with each other, are provided on the reticle so that interference fringes are formed on the alignment grating provided at a predetermined position on the wafer. A positioning optical system for irradiating through a window and a reduction projection lens, and at the same time, irradiating a positioning grating provided at a predetermined position on the reticle so that the interference fringes are formed on the positioning grating; A first photodetector that detects a heterodyne beat signal of ± first-order light diffracted by an alignment grating on a reticle and interferes with the alignment mark on the wafer. A second optical detector for detecting a heterodyne beat signal of ± 1 order light interference is diffracted by,
A phase meter for detecting the phase difference between the respective heterodyne beat signals detected by the first photodetector and the second photodetector, and detecting the phase difference between the respective heterodyne beat signals detected by the phase meter An exposure apparatus characterized in that the relative position of the wafer with respect to the reticle is measured based on this phase difference, and the position of the reticle or the wafer is changed to perform alignment.
ハとのX方向、Y方向、θ方向それぞれの位置ずれ量を
検出のための3つの位置合わせ格子をそれぞれ有する請
求項1記載の露光装置。2. The exposure apparatus according to claim 1, wherein the reticle and the wafer each have three alignment gratings for detecting the amount of positional deviation between the reticle and the wafer in the X direction, the Y direction, and the θ direction, respectively.
路パターンが露出される位置にて、前記レチクルとの位
置ずれ量が検出されて位置合わせされる請求項1記載の
露光装置。3. The exposure apparatus according to claim 1, wherein the wafer is aligned by detecting a positional deviation amount from the reticle at a position where a circuit pattern on the reticle is exposed on the wafer.
路パターンが露光される位置から、前記レチクルに対し
てX方向、Y方向、θ方向それぞれへ所定量移動された
状態で、各方向のずれ量が検出され、その後にウエハが
露光位置に移動された状態で各方向のずれ量に対して移
動されることにより位置合わせされる請求項2記載の露
光装置。4. The wafer is moved in each direction from the position where the circuit pattern on the reticle is exposed on the wafer by a predetermined amount in each of the X direction, the Y direction, and the θ direction with respect to the reticle. 3. The exposure apparatus according to claim 2, wherein the amount of deviation is detected, and then the wafer is moved to the exposure position and moved by the amount of deviation in each direction for alignment.
する光源と、この光源から照射される所定波長の光を2
分割するビームスプリッターと、このビームスプリッタ
ーにて分割された各光をそれぞれ周波数変換する一対の
音響光学素子と、各音響光学素子にて周波数変調された
光を1組のレンズ系に入射せしめ、この2分割された光
束をレチクルの回折格子および窓に照射し2光束干渉縞
を生成する手段とを具備する請求項1記載の露光装置。5. The alignment optical system comprises a light source for irradiating light of a predetermined wavelength and a light of a predetermined wavelength emitted from the light source.
A beam splitter for splitting, a pair of acousto-optic elements for frequency-converting each light split by this beam splitter, and light that has been frequency-modulated by each acousto-optic element are made to enter one set of lens system, and 2. The exposure apparatus according to claim 1, further comprising means for irradiating the diffraction grating and the window of the reticle with the two-split light flux to generate a two-light flux interference fringe.
ームスプリッター、音響光学素子、集光レンズ、ミラー
位置合わせ格子、光検出器、位相計により構成されたヘ
テロダインホログラフィ位置合わせ光学系を有し、前記
集光レンズと音響光学素子間にハーフミラー、全反射ミ
ラー、撮像素子を設け、前記位置合わせ光源と同一波長
の平行光を前記集光レンズを通してレチクル面上に入射
し、前記レチクル面からの反射光を前記ハーフミラーを
介して前記全反射ミラーにより反射しハーフミラーによ
り分割された入射光と前記反射光とを干渉せしめて干渉
縞を前記撮像素子に観察しながら前記ミラー、集光レン
ズ、位置合わせ用の2光束の位置調整を行なう事を特徴
とする請求項1記載の露光装置。6. The alignment optical system has a heterodyne holography alignment optical system including a light source for alignment, a beam splitter, an acousto-optic device, a condenser lens, a mirror alignment grating, a photodetector, and a phase meter. A half mirror, a total reflection mirror, and an image sensor are provided between the condenser lens and an acousto-optic element, and collimated light having the same wavelength as that of the alignment light source is incident on the reticle surface through the condenser lens, and from the reticle surface. Reflected light by the total reflection mirror through the half mirror, and the incident light split by the half mirror and the reflected light are interfered with each other while observing interference fringes on the image sensor, the mirror and the condenser lens. 2. The exposure apparatus according to claim 1, wherein the position adjustment of the two light beams for alignment is performed.
ームスプリッター、音響光学素子、集光レンズ、ミラ
ー、位置合わせ格子、光検出器、位相計により構成され
たヘテロダインホログラフィ位置合わせ光学系を有し、
前記集光レンズ間と音響光学素子にハーフミラー、集光
レンズ、回折格子を設け、前記位置合わせ用光源より出
射し前記ビームスプリッターにより分割された2光束を
レチクル面に入射せしめ、前記レチクルより反射した光
を前記結像レンズ、前記ハーフミラー及び前記結像レン
ズを介して前記基準格子上に照射し2光束干渉縞を生成
せしめ前記2光束干渉縞と基準格子との間で生ずるモア
レ縞を観察しながら前記ミラー、集光レンズ、位置合わ
せ用の2光束位置を調整する事を特徴とする請求項1記
載の露光装置。7. The alignment optical system has a heterodyne holographic alignment optical system including a light source for alignment, a beam splitter, an acousto-optic device, a condenser lens, a mirror, an alignment grating, a photodetector, and a phase meter. Then
A half mirror, a condenser lens, and a diffraction grating are provided between the condenser lenses and the acousto-optic element, and two light beams emitted from the light source for alignment and split by the beam splitter are incident on the reticle surface and reflected from the reticle. The generated light is irradiated onto the reference grating through the imaging lens, the half mirror and the imaging lens to generate two-beam interference fringes, and the moire fringes generated between the two-beam interference fringes and the reference grating are observed. The exposure apparatus according to claim 1, wherein the mirror, the condenser lens, and the position of two light beams for position adjustment are adjusted.
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|---|---|---|---|
| JP2157954A JPH07119575B2 (en) | 1990-06-15 | 1990-06-15 | Exposure equipment |
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
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|---|---|
| JPH0448203A JPH0448203A (en) | 1992-02-18 |
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ID=15661092
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|---|---|---|---|---|
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| JPH0293307A (en) * | 1988-09-30 | 1990-04-04 | Toshiba Corp | Gap setting method and apparatus therefor, aligning method and apparatus therefor, relative aligning method and apparatus therefor |
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1990
- 1990-06-15 JP JP2157954A patent/JPH07119575B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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| JPH0448203A (en) | 1992-02-18 |
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