JPH03290916A - マーク検出装置及び露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はマーク検出装置と露光装置に関し、特に電子回
路パターンか形成されているレチクルと該レチクル面上
のパターンを投影レンズにより投影するウェハとの位置
決めを高精度に行い、高い投影解像力で投影焼付けを可
能とした半導体素子製造に好適なマーク検出装置と露光
装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体素子製造用の露光装置において、レチク
ル面上のパターンをウェハ面上に投影する際、高い投影
分解能を得る為にはレチクルとウェハとの位置合わせ（
アライメント）を高精度に行う必要がある。従来よりレ
チクルとウェハとの位置合わせを行うアライメント装置
を有した露光装置は種々と提案されている。

このうち例えば照明系で照明されたウェハ面上の位置合
わせ用のパターン（アライメントパターン又はアライメ
ントマーク）を撮像素子面上に形成し、該撮像素子で得
られたアライメントマーク像を表示装置で観察したり又
は画像処理してアライメントを行っている。

このような露光装置ではウェハ面上のアライメントマー
クを撮像素子面上に結像させる為の対物レンズのＮ−Ａ
及びウェハ面上のアライメントマークを照明する為の照
明系のコヒーレンス度σは予め設定され固定されていた
。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のアライメント装置では、ウエノス面上のアライメ
ントマークの段差の高さに応じて、その像のコントラス
トが変化し、低段差構造の実素子プロセスになるとアラ
イメントマークの段差の高さが低くなり、観察系で観察
されるアライメントマーク像のコントラストが低くなり
、アライメントを高精度に行うのが大変能しいという問
題点があった。

本発明はアライメントマークなどのマークを照明する為
の照明系のマーク側（光射出側）のＮＡ（開口数）とこ
のマークを観察する為の観察系のマーク側（光入射側）
のＮＡのうち少なくとも一方をマークの段差の高さに合
わせて適切に設定することにより、コントラストの高い
マーク像が得られ、例えば低段差構造の実素子プロセス
を経たウェハのアライメントマークであっても良好なる
アライメント精度か得られ、高い投影分解能が得られる
マーク検出装置と露光装置の提供を目的とす・る。

即ち本発明で照明系のコヒーレント度σ（＝照明系（照
明光束）のＮＡ／観察系のＮＡ）を調整可能なマーク検
出装置と露光装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の露光装置は、レチクル面上のパターンを投影レ
ンズにより該ウェハ面上に投影する露光装置において、
該ウェハ面上の位置合わせ用のマークが形成されている
マーク領域を照明する為の照明系の一部に開口径可変の
虹彩絞りを又は／及び該ウェハのマーク領域を観察する
為の観察系の一部に開口径可変の虹彩絞りを配置し、こ
れらの虹彩絞りの少なくとも一方の開口径を該マークの
段差の高さに応じて変化させることにより、該ウェハの
マーク領域の観察状態を制御したことを特徴としている
。

又本発明は、マークが形成されているマーク領域を照明
する照明系と、該マーク領域を観察する為の観察系とを
有し、該照明系と該観察系の少なくとも一方の、該マー
ク領域側のＮＡ（開口数）を該マークの段差の高さに応
じて可変となるようにしたことを特徴としている。

更に本発明は、段差の高さｈかｏ＜ｈ≦０．０５μｍの
マークの像を形成する装置であって、マークを照明する
照明系のコヒーレンス度０を０くσ≦０．４としたこと
を特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。

本実施例ては所謂ステップアントリピートタイプの縮小
投影露光装置の位置合わせ光学系に本発明を適用した場
合を示している。

図中１０１，１０１’は照明系の一部分、１０２．１０
２′は観察系の一部分である。同図ては照明系の一部１
０１，１０１　′と観察系１０２．１０２′の一部は左
右対称に設けられているので以下の説明では一方のみに
ついて説明する。

１は光ファイバーてあり、その光射出端からはアライメ
ント用の光束が射出している。このアライメント用の光
束は、レチクル８面上のパターンをウェハ１２面上に投
影露光する露光波長と同等の波長を有し、本実施例では
露光用の照明部の光源から導いている。２は開口径可変
の虹彩絞りであり、照明系１０１の瞳の大きさを制御し
て照明系１０１の光射出側のＮＡを変化させてコヒーレ
ンス度０を変化させている。１０３は集光レンズ、３は
視野絞りであり、ウェハ１２面及びレチクル８面と光学
的に共役な位置に設けられる。そして絞り３でレジスト
が塗布されたウェハ１２面上のアライメントマークとそ
の近傍以外のパターン領域を照明しないように制限して
いる。

４は調光の為の調光部材であり、例えば照明系１０１の
光軸を回転軸として回転可能な偏光板や回転可能な各部
分の光透過率を変えた可変ＮＤフィルター等から成って
いる。５は偏光ど−ムスプリッターであり、照明系１０
１による照明光をウェハ１２へ効率良く導くと共に観察
系１０２の撮像素子１６面上にウェハ１２からの反射光
であるウェハ信号を効率良く導いでいる。１７はリレー
レンズ、６は開口径可変の虹彩絞ってあり、対物レンズ
７の瞳面に配置されている。また、この絞り６は虹彩絞
り２と光学的に共役な位置に設けられている。

８はレチクル、９はレチクル８のパターンを１１５に縮
小してウェハ１２上へ投影する縮小投影レンズ系、１２
はウェハである３、ここでは対物レンズ７のレチクル８
側のＮＡ（開口数）と投肥レンズ系９のレチクル８側の
ＮＡ（開口数）とを致させており、また投影レンズ系７
のウェハ１２側のＮＡ（開口数）は投影レンズ系７のレ
チクル８側のＮＡ（開口数）の５倍の大きさである。

１０はλ／４板、１１は虹彩絞りであり、投影レンズ系
９の瞳位置に配置されており、絞り１１は虹彩絞り６と
光学的に共役な位置にある。１３は投影レンズ系９の光
軸方向及び光軸と直交する平面で移動できるＸＹステー
ジ１０５面上に設けた基準マークである。１４はタハプ
リズムてあり、アライメントマーク像を観察する際の左
右の視野を一体化している。１５はエレクタ−てあり、
タハプリズム１４の近傍に形成されるウェハ１２面上の
アライメントマーク像をリレーレンズ１０４と共に拡大
して撮像素子（ＣＣＤ）１６に再結像している。

本実施例における照明系１０１はファイバー１から射出
した光束を虹彩絞り２を介し、集光レンズ１０３て集光
して視野絞り３で光束径を絞り、以下類に調光部材４、
偏光ビームスプリッタ−５、リレーレンズ１７、ミラー
１８、虹彩絞り６、対物レンズ７、そしてミラー１９を
介してレチクル８面上のアライメントマークに入射させ
ている。そしてレチクル８を通過した光束で投影レンズ
系９を介してウェハ１２面上のアライメントマークを照
明している。

次に本実施例における観察系１０２としてはウェハ２面
上のアライメントマーク及びその近傍からの反射光束を
、投影レンズ系９て集光し、レチクル８面近傍にウェハ
アライメントマークを結像した後にレチクル８面上のア
ライメントマークからの光束と共に順にミラー１９、対
物レンズ７、虹彩絞り６、ミラー１８、そしてリレーレ
ンズ１７を介し、偏光ビームスプリッタ−５で反射して
、アライメントマークの像をタハプリズム１４の近傍に
形成する一方、この反射光束をタハプリズム１４て反射
した後にリレーレンズ１０４、エレクタ−１５により撮
像素子１６面上に導光し、その面上にレチクル８及びウ
ェハ１２面上の双方のアライメントマークを結像してい
る。モして撮像素子１６面上に形成された双方のアライ
メントマーク像を表示装置１０６て観察する。

又、撮像素子１６からの双方のアライメントマーク像に
対応するヒ゛デオ信号は、不図示の制御装置に信号線を
介して人力される。この制御装置は、このどデオ信号を
処理することによりレチクル８とウェハ１２の位置すれ
量を決定し、このすれ量に対応した補正信号を生成する
。レチクル８は不図示のレチクルステージに、ウェハ１
０は図示されているｘＹステージ１０５に載置されてお
リ、両ステージは各々対応する不図示のステージ駆動装
置で移動せしめることができる。ここで、＊Ｊａ装置は
これらのステージ駆動装置の各々と信号線により電気的
に接続されており、制御装置からの信号に応答して各ス
テージ駆動装置が対応するステージを所定量、所定方向
に変位せしめる。

本実施例では制御装置からの補正信号がｘｙステージ１
０５駆動用のステージ駆動装置に人力され、この駆動装
置がレチクル８に対するウェハ１０の位置ずれを補正す
るようにｘＹステージ１０５を移動せしめて、ウェハ１
０の位置決めを行う。

本実施例ではレチクル８とウェハ１２のアライメントマ
ークをＴＴＬ−ＯＮＡＸ　Ｉ　Ｓ方式で検出し、明視野
画像を処理することでアライメントを行っている。

第２図は撮像素子１６面上に形成されるアライメントマ
ーク像の説明図である。同図において斜線で示すマーク
像２１，２３，２４，２６及び２１’、２３’、２４′
、２６’はレチクル８面上の左右のアライメントマーク
の像（レチクル信号）、マーク像２２．２５及び２２’
、２５’はウェハ１２面上の左右のアライメントマーク
の像（ウェハ信号）である。５ｕｆｆｉｘの有無が第１
図の左右の観察系に対応じている。２７は撮像素子１６
の撮像範囲、２８はダハプリズム１４の稜線である。

第３図は第２図に示すアライメントマーク像２１．２２
．２３を検出方向に走査したときの出力信号である。レ
チクルアライメントマーク像２１．２３は投影レンズ系
９内の入／４板による周知の作用によってウェハ１２か
らの反射光で照らされた影絵となる為に暗い。一方つエ
バ信号２２は工程によって変化する。

本実施例では特に低段差のウェハのときにウェハ信号の
コントラストが低く十分なアライメント精度が得られな
い場合、照明系１０１の虹彩絞り２と観察系１０２の対
物レンズ７の虹彩絞り６の少なくとも一方の虹彩絞りの
開口径を変えている。即ち照明系のコヒーレンス度σを
小さくし、アライメントマーク像のコントラスト（又は
アライメント精度と関係づけられている評価値）が最大
となる絞り径を選択している。

即ち、本出願人は対物レンズのＮＡと照明系のコヒーレ
ンス度σか、実工程のウェハ上のアライメントマークを
観察する時には、その工程毎に最適のＮＡ及びコヒーレ
ンス度０があることを見出した。

そこで観察系１０２の一要素である対物レンズ７の瞳に
開口部の大きさか可変である虹彩絞り６を配置し、対物
レンズのＮＡを可変とするか又は照明系１０１の集光レ
ンズ１０３の瞳面に開口部の大きさが可変の虹彩絞り２
を配置して、照明系のコヒーレンス度σを可変とするか
、少なくとも方の開口部の大きさを変化させている。

このときの開口径は実工程のオフセット確認用のパイロ
ットウェハを用いて、各工程毎にある評価値が最良とな
るべく決定される。ある評価値としては例えば像のコン
トラスト、ウェハがデイフォーカスしたときの像のシフ
ト１あるいはアライメント精度と関係づけられた諸量と
いうものになる。

そして、各工程毎に必要とあらば較り２の開口径を変え
て、レチクル８とウェハ１２の各アライメントマークを
撮像して互いの位置関係を検出し、その検出結果に応じ
たレチクル８とウェハ１２の位置合せ露光を行なう。

本実施例では開口径の決定作業を各工程毎に行なってい
るが、各ロフト毎、各ウェハ毎に行なってもいい。各ウ
ェハ毎に行う場合には、パイロットウェハを使用するこ
となく、実際に半導体デバイスを生成する為の実素子ウ
ェハを使用する。

たたし、このような開口径の変更を行う場合には、比較
的段差が高いアライメントマークか形成されたウェハに
対して設定しである基準条件（例えば対物レンズのＮＡ
は投影レンズ系のレチクル側のＮＡ、照明系のコヒーレ
ンス度０は０．７）から、レチクル８とウェハ１２の位
置すれ検出時の条件が変わることになるのて、基準条件
時に定めていた位置ずれ検出位置合せの為のオフセット
量が変動するかもしれない。従って、このようなオフセ
ット量の変動に対処する為に開口径を変更した場合には
変更後、前述のパイロットウェハに対する位置合せ露光
を行ない、互いに重ね合された回路パターン同志（一方
は予めウェハに形成されであるパターン、他方は露光に
より転写されたパターン）のずれを検出し、この検出結
果からオフセット量の再設定を行なう。そして開口径を
変更して、位置ずれ検出露光を行う工程のウェハに対し
ては位置ずれ検出時のオフセット量として、この再設定
したものを使用する。

（表−１） 表−１は本実施例において高さ０．０２μｍ程度といっ
た段差の小さい、窒化膜を施したアライメントマークを
有する実工程ウェハを用いたときの、このアライメント
マーク像のコントラストの、照明系のコヒーレンス度σ
による変化の実測値である。コヒーレンス度０の値を０
．７→０．３にするとコントラストが約２倍向上するこ
とがわかる。

ここで対物レンズのＮＡは投影レンズ系９のウェハ側に
換算して０．４３で一定である３、虹彩絞り２の大きさ
の変化に応じて撮像素子１６て受ける光量は変化するが
、撮像素子１６から出力される信号のレベルに基づいて
調光部材４を回転させてウェハアライメントマークを照
明する照明光の光量がほぼ一定になるように調光する。

又は予め虹彩絞り２の開口面積の変化に伴う光量変化を
求めておき、虹彩絞り２と連動させて調光部材４を回転
させて照明光の光量を一定に保つようにしている。

２つの虹彩絞り径の最適化はその工程のパイロットウェ
ハ等で行い、その工程内での照明系のコヒーレンス度σ
を決定する。

このようにアライメントマークの段差の小さいウェハに
対して、アライメントマークの段差が大きなウェハより
もコヒーレンス度０が小さくなるようコヒーレンス度σ
の値を変化させることによりアライメントマーク像のコ
ントラストを上げている。

本出願人の検討によれば、段差の高さｈがｏ＜ｈ≦０．
０５μｍ程度のウェハアライメントマークをもつウェハ
に対して、コヒーレンス度Ｏを０くσ≦０．４程度にす
ることにより、アライメントマークの像のコントラスト
を良好に向上させることがわかった。

第４図は本発明の第２実施例の要部概略図である。

本実施例ではウニ八面上のアライメントマークを観察す
る観察系として、投影レンズ系を介さないて行う所謂オ
フアクシス光学系を用い、観察系中に基準マークを設け
てアライメントを行う場合を示している。本実施例にお
いて第１図で示した要素と同一要素には同符番な付して
いる。

本実施例ではファイバー１から射出した光束を虹彩絞り
２を介し集光レンズ３て集光し、調光部材４で調光し、
偏光ビームスプリッタ−５で反射させている。そしてリ
レーレンズ１７、虹彩絞り６を介し、対物レンズ７によ
りウェハ１２面上のアライメントマークを照明している
。これにより照明系を構成している。干してウェハ１２
面上のアライメントマークを対物レンズ７で集光し虹彩
絞り６、リレーレンズ１７そして偏光ビームスプリッタ
−５を介し基準マーク９１面上に結像している。

基準マーク９１はレチクル８に対し予め位置関係を知っ
ておく。その方法としては例えばレチクル８を観察する
光学系は省略しであるかその光学系と観察系１０２によ
ってレチクル８と基準マーク９１の相対位置関係を知っ
ておいて、実際の焼付はオフセットと比較すれば良い。

基準マーク９１は例えば第５図に示すようなマーク１２
１゜１２３．１２４，１２６より成っており、この基準
マーク９１面上に第２図に示すのと同様にしてウェハ１
２面上のアライメントマークを形成し、双方のアライメ
ントマークをエレクタ−１５により撮像素子１６面上に
結像している。これにより観察系を構成している。そし
て基準マーク９１に対してウェハ１２をアライメントし
、間接的にレチクル８とウェハ１２とのアライメントを
行っている。

本実施例におけるウェハアライメントマーク像のコント
ラスト向上の為の動作は前記実施例と同じであり、前記
実施例と同様の効果を得ることができる。

又、本実施例のマーク観察装置を使用し、投影レンズ系
９を介してウェハ１２のアライメントマークを観察する
ように構成することもできる。

以上の各実施例においては照明系のコヒーレンス塩σを
、虹彩絞り２の開口の径を変えて調整していたが、虹彩
絞り６の径を変えてコヒーレンス塩σの径を変えたり、
また絞り２．６の双方の開口の径を調整してコヒーレン
ス塩０を変えてもいい。

更に、このように虹彩絞りの開口径を変える代りに、集
光レンズを変倍光学系とし、虹彩絞り２の対物レンズ７
の瞳面への結像倍率（光源像）の大きさを変えて、コヒ
ーレンス塩０を変えることもできる。こうすれば照明光
の光量の変化が小さくなる。

以上の各実施例においてウェハな照明する際、露光光の
波長と同一でなく異なる波長の光束を用いて照明しても
良い。例えばＨｅ−Ｎｅレーザー、ハロゲンランプ、キ
セノンランプ、ＬＥＤ等の光源からの単色又は多色の光
束を用いても、ウェハとレチクルとのアライメントか可
能な光束であればどのような光束を用いても良い。又ウ
ェハ面上のアライメントマークの観察を明視野の代わり
に暗視野で行うようにしても良い。

（発明の効果） 本発明によればウェハ面上のアライメントマークなどの
段差マークを照明する照明系のコヒーレンス塩σをマー
クの段差の高さに応じて変化させることにマークの段差
の高さに係わらず常に良好なコントラストのマーク像を
形成できる。従って例えば、低段差構造の実素子プロセ
スを経たウェハのアライメントマークを観察する場合で
あっても、コントラストの高いアライメントマーク像が
観察出来、高精度なアライメントか出来、高い投影分解
能が容易に得られる半導体素子製造に好適な露光装置を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は第
１図の一部分の説明図、第３図は第２図のアライメント
マーク像の検出方向の積分波形図、第４図は本発明の第
２実施例の要部概略図、第５図は第４図の一部分の説明
図である。 図中、１０１は照明系、１０２は観察系、１゜１′はフ
ァイバー、２．２’、６．６＝は虹彩絞り、１０３，１
０３”は集光レンズ、３．３′は視野絞り、４．４′は
調光部材、５．５′は偏光ビームスプリッタ−１１７，
１７′、１０４はリレーレンズ、１８．１８′、１９．
１９′はミラー、７．７′は対物レンズ、８はレチクル
、９は投影レンズ、１２はウェハ、１４はタハプリズム
、１５はエレクタ−１１６は撮像素子、９１は基準マー
ク、２１，２３，２４，２６．２１２３　′、　２４　
’、　２６　”はレチクルアライメントマーク、２２，
２５．２２′、２５′はウェハアライメントマークであ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レチクル面上のパターンを投影レンズにより該ウ
   ェハ面上に投影する露光装置において、該ウェハ面上の
   位置合わせ用のマークが形成されているマーク領域を照
   明する為の照明系の一部に開口径可変の虹彩絞りを又は
   ／及び該ウェハのマーク領域を観察する為の観察系の一
   部に開口径可変の虹彩絞りを配置し、これらの虹彩絞り
   の少なくとも一方の開口径を該マークの段差の高さに応
   じて変化させることにより、該ウェハのマーク領域の観
   察状態を制御したことを特徴とする露光装置。
2. （２）マークが形成されているマーク領域を照明する照
   明系と、該マーク領域を観察する為の観察系とを有し、
   該照明系と該観察系の少なくとも一方の、該マーク領域
   側のＮＡ（開口数）を該マークの段差の高さに応じて可
   変となるようにしたことを特徴とするマーク検出装置。
3. （３）前記照明系と前記観察系は互いに対物レンズを共
   有しており、前記観察系は前記マーク領域からの反射光
   を該対物レンズを介して検出し、前記位置合せ用マーク
   を観察することを特徴とする請求項２記載のマーク検出
   装置。
4. （４）段差の高さｈが０＜ｈ≦０．０５μｍのマークの
   像を形成する装置であって、マークを照明する照明系の
   コヒーレンス度σを０＜σ≦０．４としたことを特徴と
   するマーク検出装置。