JPS5875834A

JPS5875834A - プロキシミティ露光装置

Info

Publication number: JPS5875834A
Application number: JP56173013A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Koizumi; 小泉　光義; Nobuyuki Akiyama; 秋山　伸幸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1983-05-07
Also published as: JPH0311540B2

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】本発明はマスクアライメント装置に関するものである。

従来のコンタクト型マスクアライメント装置においては
、マスクと、ウェハなどの被加工半導体基板（以下、ウ
ェハと略称する）とを密着させて嬉出するため、マスク
とウェハとの接触面に傷を生じ易いという欠点があり九
。そζで１０〜２０Ｉｓ１１程度のプロキシティ・ギャ
ップｄをマスクとクエへとの間に保つて露光する方式が
案出された。しかし、仁の方式においてはマスクとウェ
ハとを厳密に平行に保たねばならないので、従来の装置
においては一旦マスクとウエハとを密着させて両者を平
行にする操作を行うようになりている。このため、傷の
発生が完全には防止できなかりた。

前述のごとくウェハとマスクとを平行に保たねばならな
い理由と、接触によりて傷を生じ易い事情とＫついて、
Ｘ線マスクアライナを概念的に示したｔＩＸ１図を参照
しつつ次に説明する。

１紘ウエハ、２はマスクである。マスクドはＸ線が透過
し易いように部分的に薄くする必要があり、この部分の
厚さｔは１〜１１である。このため密着操作の際に破損
し易い。

また、Ｘ線光源２９から投射したＸ線は放射状に拡がる
ので、マスク２のパターンは若干拡大されてクエ＾１に
投影され、半径凡のマスク回路パターンはウニ八面上で
牛径Ｒ＋δとなる。

上記の拡大寸法δは　δ−に’Ｒｘ　ｔで表わされる０
ただし、ｌニー光源２９とマスク２との距離、ｄニーマ
スク２とウェハ１との距離。

／−５００ｍｍ、ｄ−１０ＪＩＩＬ　ｓ　Ｒ−４０簡　
のとき　δ＝０．８ｎｍと々るが、マスク２とウェハ１
との距離ｄが一定でないと−の値も場所によって異なる
。

上述の例において、６寸法が１０±１声講となると、δ
＝０．８±０．０８声講となる。このように、ウェハ上
に投影されるパターンの大きさが間隔寸法ｄの関数とな
るので、間隔を一定に保たないと正確な投影ができない
。

間隔寸法ｄを一定に保つということは、１回の露光工程
においてマスク２とウェハ１とを平行にしてパターン上
の各部について間隔を一定にすることのみでなく、数回
の露光を繰返す間毎回の間隔を等しくしなければならな
いことを意味する。

実際の産業において、例えば線幅２ｘｍのＬＳＩ製造製
造上ｎセスアライメント精度を０．２μ票以下にする必
要がち抄、仁のときの間隔寸法ｄの均一性は１０±２μ
藁に保たねばならないが、従来マスクとウェハとを迅速
かつ容易にこのような高精度で間隔設定し得る適当な装
置が無かった。

本発明の目的は、上述の事情に鑑み、ウェハとマスクと
を迅速かつ容易に高精度で一定間隔に保持し得るマスク
アライメント装置を提供しようとする。ものである。

上記の目的を達成するため、本発明はｔウェハ？ｌｆＫ
設けられたアライメントパターンの付近を光学的に投影
して結儂させるφ段と、その結僚位置を検出する手段と
よりなる自動焦点光学系を壷数個設けるとともに、自在
に上下動せしめ得る複数個の支持手段によってウェハを
支承し、かつ、前記の結偉位置検出手段の出力信号に基
づいてウェハの支承手段を上下に駆動せしめ得るように
したことを特徴とする。

次に、本発明の一実施例を第２図および第５図について
説明する。

第３図に示すごとくウニ＾１の表面に５個のウェハアラ
イメントパターン１ａ１ｍ、１ａが設けられている。第
２図紘１個のアライメントパターン１ａに対応する１組
の自動焦点光学系Ａおよびパターン位置検出光学系Ｂを
抽出して示す。

第３図は３個のアライメントパターン１ａｓ１ｍ、１１
に対して各１組の自動焦点光学系とパターン位置光学系
とを配設した全体的斜視図である。

第２図に示すごとく、ウェハ１は真空吸着式のウェハホ
ルダ２２に吸着されている。このウェハホルダを５個の
２移動台２４・・・（２個のみ図示す）により、　ＸＹ
θ移動台２８の上に支承する。仁のＸＹ＃移動台２８は
公知のごとく、載置した物体を水平面内で直交する２軸
の方向に移動させることと、水平面内で回転させること
のできる支持手段である。

２移動台２４は自在に上下動せしめ得る支持手段であり
、本例においては圧電素子を用いである。圧電素子を用
いると駆動分解能１Ｊ１ｍｌ以下の高精度で微動操作で
きるので都合がよい。

本例は以上のようにして、自在に上下動せしめ得る複数
個の支承手段によりてウェハを支承する。

ウェハ１の表面に設妙たウェハアライメントパターン１
ａの上方に倍率Ｍの対物レンズ墨を位置させる。この対
物レンズ３は後述のごとく自動焦点光学系Ａとパターン
位置検出光学系Ｂとの両方に兼用する亀のである。

自動焦点光学系Ａは、ランプ２１、レンズ２０、固定ス
リット１９、−一７ζラー１５、対物レンズ３、移動ス
リット１４、シリンドリカルレンズ１７、及びセンサ１
８からなり、欠配のようにしてウェハ１の上面に設けら
れ九ウェハアライメントパターン１ａの上下方向の位置
を検出する。

第４図は前述の自動焦点調節光学系ムの作動説明図であ
る。

スリット１９は紙面に垂直な細長い開口を有しランプ２
１の光はレンズ２０で集光されてスリット１９を通過“
し、ハーフ建う−１５を経て対物レンズ５で絞られ、ウ
ェハ１の上面を照射して反射する。反射光はバー７ンラ
ー１５で反射され、移動スリブ）１６、シリンドリカル
レンズ１７を経てセンサ１８に入射する。

上記の移動スリット１６は紙面に垂直な方向の細隙を有
し、１点を中心として振幅Ｃの振動をしている・ヒの移
動スリット１４を通過した光がシリンドリカルレンズ１
７で集光されてセンサ１８に入射する。本図に示すよう
にウェハ１の表面が対物レンズ３の焦点位置にあると、
ウェハ１の表面で反射された光は１点に結像して光束が
集まる。従って移動スリット１６が１点にあるとき、光
束は移動スリット１６によって殆ど遮られることなく通
過するが、移動スリット１６が１点から離れると光束の
一部を迩るようになる。

第５図の（ａ）　、　（ｂ）　、　（＠）はそれぞれウ
ェハ１の表面位置によって移動スリット１６が光を迩る
様子を示している。

本図は横軸に移動スリブ）１６の位置をとった図表で、
量は前述の振動中心、Ｃは振幅を示している。

同図（ａ）はウェハ１が上方に６だけ偏位した場合を示
し、結偉点は１より４左方に＋＃ＸＭｌだけ偏りた１７
点となる。

ただし、＋１の正符号はウェハ１が上方へ偏りたことを
意味する０Ｍは対物レンズ５０倍率である。

この条件では、移動スリット１６が１点にあるときに光
の通過が最大となる。従りてセンサ１８の出力信号波形
はカーブＤ′のように点ｉでピークを示す。

（ｂ）はウェハ１が正規位置にある場合で、この場合出
力信号波形りは１点でピークを示す。

（ｅ）はウェハ１が下方に８だけ偏った場合を示し結像
点は１点よ抄も右方に−ｇ×Ｗだけ偏りたｉ＃点と表る
。この場合、出力信号波形は１７点でピークを示す。

たとえば、対物レンズ３の倍率が４ＧＸで、±１＝±１
μ寓の場合、±＃ｘＷ−±ｔｓｉｍである。即ち、１７
点及び１′点は１点から１６１１１１だけ偏りた位置と
なる・このように、ウェハ１の表面位置の微小な偏抄は
、信号出力波形のピーク位置の偏りとして拡大されるの
で鋭敏に偏りを検出することができる。

本実施例は以上のように構成された光学系、即ち、ウェ
ハ１の表面に設けられたアライメントパターン１ａの付
近を光学的に投影して結像させる手段と、その結像位置
を検出する手段とよりなる自動焦点光学系を、第５図に
示すように３組設置する。

前記の移動スリット１６を振動させるには電磁力を用い
、又はセラ建ツク素子（バイモルフ等）を用いると好都
合である。

第２図について述べたようにして移動スリット１６の位
置と七ン−？１８の信号出力波形との関係によってウェ
ハ１の上下方向の偏り寸法を検出したならば、その信号
出力を２移動台２４にフィードバックし、ウェハ１の偏
抄を修正するように２移動台２４を上下動させる。

上記の２移動台２４として圧電素子を用いると１μ誂以
下の微小寸法の駆動を高精度で行い得るので好都合であ
る。

本例は第３図に示すごとく自動焦点光学系を３組設けて
あり、かつ２移動台２４を３側設けである（１個のみ図
示す）ので、ウェハ１の位置の上下方向の偏りを５個所
で検出し、この偏抄を零にするように２移動台２４．２
４．２４をそれぞれ作動させることができる。

ウェハ゛１は剛体と見做し得るので、３個所でその高さ
方向の位置を規制することによって、その高さを特定し
て水平に保持することができる。即ち、第３図に示した
矢印２方向の位置と矢印α方向の角位置と、矢印β方向
の角位置とを特定し得る◇ 上述のごとく、自動焦点光学系Ａはつ′エノ・１０表面
における反射光の結像位置を検出するので、この作用に
関してはウェハアライメントパターン１ａの存在を必要
と、しない。

しかし、前述のごとく自動焦点光学系人とパターン位置
検出光学系Ｂとは対物レンズ３を共用しているので、ウ
ェハアライメントパターン１＆の儂も゛移動スリット１
６の付近に結像し、その光束がセンナ１８に入射する。

そして、上記のウェハアライメントパターン１ａは通常
第６図に示すようにウェハ１の表面に設けられた５ｌｏ
ｔ、□、１′。

被覆の段差として形成されるので、前記の自動焦点光ｉ
系Ａによるウニ凸面への投射光がこのウェハアライメン
トパターン１＆に小さいスポットとして集光すると、殺
差部による光の散跣のために前述の焦゛点位置（１，１
’若しくは１つの測定ができなくなる。

本実施例におけるスリット１９及び移動スリブ１６は既
述のごとく細長い形状の開口部を有しており、第３図に
示すごとく細隙が水平になるように設置する。このため
光源２１の光はウェハ１の表面のＦ部のごとく、線状の
ウェハアライメントパターン１ａ　と直交する細長い区
域を照射し、このＦ部で反射した光が移動スリット１６
付近に結像する。

第７図は移動スリット１６付近に到達する光を等測的に
示した図であり、点線で囲んでハツチングを付した区域
１９′はスリット１９を通過した光束が通過する区域を
示している。既述のごとく本発明装置における自動焦点
光学系はパターン位置検出光学系と対物し／ズ３を共用
してい１人るので、鎖線で示した２　ａ　／の如く！スフアライメ
ントパターン２＆の像が重なる。ただしこの偉２ｍ’の
大部分は移動スリブ）１４によって遮られてセンナ１１
１には達せず、前述した区域１９′に和尚する部分のみ
が移動スリット１６を通過してセンナ１８に入射し、自
動焦点作用を果たす。上述のごとく自動焦点作用に関与
する結像１９′の内には１ウエハアライメントパターン
１ａによる反射儂１ｍ’が含まれるが、本例におけるア
ライメントパターン投影手段はウェハアライメントパタ
ーン１ａ　Ｋ直交する細１長い区域の映倫を投影する構
成であるため、第７図から容易に理解し得るごとく、投
影光像１９′の内でウェハアライメントパターン１ａに
よる散乱を蒙るのは極〈小部分に過ぎないので、ウエハ
ア２イメン）　パターン１ａが自動焦点作用に及埋す誤
差は事実上無視し得る程度に僅少である。

以上のように自動焦点光学系を用いてウェハ１を規定位
置にセットしたならばランプ２１を消し、パターン位置
検出光学系を用いて欠配のごとくにしてマスク位置を正
しくセットする（第２図参照）。

ランプアの光拡ハーフンラー５で反射さ２れ、対物レン
ズ３で集光されてマスクアライメントパターン２ｍ、お
よびウェハアライメントパターン１ａを照射し、反射さ
れる。

マスクアライメントパターン２ａおよびウェハアライメ
ントパターン１ａによる反射光は対物レンズ３で集光さ
れ、光路１、又は光路厘を通りてリニアセンサ１４に入
射するが、マスクアライメントパターン２ａ　とウェハ
アライメントパターン１ａ　とは距離ｄだけ離れている
ので、適宜の方法を用いて光路長を揃えなければ双方の
像がリニアセンサ１４上に同時に焦点を結ぶことができ
ない。第８図はその事情を模式的に示した説明図である
。説明の便宜上、焦点距離の等しい２個の対物レンズ３
．５を等高に並べて描いである。線１ａ′はウェハアラ
イメントパターン１＆の高さを、線２ｍ’はマスクアラ
イメントパターン２ａの高さをそれぞれ表わしている。

１１１ｍ’と線２ｍ’とは距離ｄだけ離れているので、
線１ａ＃の結像点Ｄｔａと＄２ｍ’の結像点Ｄｔ＆とは
距離ｄＸＭ”だけ離れる。但しＭは対愉レンズ３の倍率
である。

このため、第９図■に示すようにマスクアライメントパ
ターン２ａにピントを合わせるとウェハアライメントパ
ターン１ａの像がボケを生じ、同図＠に示すようにウェ
ハアライメントパターン１ａにピントを合わせるとマス
クアライメントパターン２ａの儂がボケる。

このように、ウェハアライメントパターン１ａの結像光
路！はマスクアライメントパターン２ａの結像光路璽よ
シも短かい。

このため、第２図に示すように対物レンズ３を通過した
光をハーフミ１）−８とミラー９とによりて直角に２回
屈折させてなる光路！と、バーフィラー１３、ミラー１
２、何１１およびハーフギラ−１０によりて直角に４回
屈折させることによって光路長を長くした光路１とを設
けである。

これによ抄りエハアライメン゛１ドパターン１ａ　の反
射光は短かい光路Ｉを経てリニアセンサ１４で結像し、
マスクアライメントパターン２ａの反射光は長い光路菖
を経てリニアセンサ１４で結像し、第９図θのようにマ
スクアライメントパターン２ａ　とウェハアライメント
パターン１ａ　とが同時にピントを結ぶ。

以上のようにして、３組設けられたパターン位置検出光
学系の各組ごとにウェハアライメントパターン１ａの像
とマスクアライメントパターン２ａの儂とをリニアセン
サ１４に結像させ、３個のリニアセンナ１４，１４．１
４の出力信号波形によりてマスクアライメントの位置ず
れを検出し、前記のＸＹ＃移動台２Ｂ（第２図）を作動
させて位置ずれを修正するとマスクアライメント作業が
完了する。

本実施例のように、自動焦点光学系と、光路長の異なる
二つの光路！、璽をバーフンツーによりて整合するパタ
ーン位置検出光学系とを組み合わせる仁とによ抄、対物
レンズ３を上記の両光学系に共用すると対物レンズの設
置所要個数を半減することができる。

以上説明したように、本発明は、ウェハ上に設けられた
アライメントパターンの付近を光学的に投影して結像さ
せる手段と、その結像位置を検出する手段とよりなる自
動焦点光学系とよりなる自、動焦点光学系を複数個設け
るとともに自在に上下せしめ得る複数個の支承手段によ
りてウェハを支承し、かつ、前記の結像位置検出手段の
検出信号に基づいてウェハの支承手段を上下に駆動せし
め得るようにすることにより、ウェハとマスクとの７ツ
イメントを迅速かつ容易に高精度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸ５−Ｖスフアライナの機能を説明するための
概要的な垂直断面図、第２図は本発明の一実施例におけ
る基本構成を示す垂直断面図第３図は本発明の一実施例
に係るマスクアライメント装置の全体的斜視図、第４図
は自動焦点光学系の作動原理を示す光路図、第５図は同
作動状況を示す図表、第４図はウェハアライメントパタ
ーンの部分的拡大斜視図、第７図は自動焦点光学系の投
影偉を等測的に表わした図形、第８図は対物レンズによ
る結像の光路を示した図表、第９図はパターン位置検出
光学系の投影状態を模式的に表わした図形である。１・・・ウェハ、１ｍ・・・ウェハアライメントパター
ン、１ｂ・・・クエハ回１１ハターン、２・・・マスク
、２ａ・・・マスクアライメントパターン、２ｂ・・・
ｉスフ回路パターン、３・・・対物レンズ、４、９．１
１．１２・・・ミラー％　　５．８．１０．１５．１５
・・・ハーフミラ−１６・・・コレクタレンズ、７．２
１・・・ランプ、１４・・・リニアセンナ、１６・・・
移動スリット、１７・・・シリンドリカルレンズ、１８
・・・センサ、１９・・・固定スリット、２０・・・レ
ンズ、２２・・・ウェハホルダ、２４・・・２移動台、
２Ｂ・・・ＸＹθ移動台。代理人弁理士　薄　１）利　申・（？、、沁オ　４　の第５［し１−−ｃ−← オ６１ａオ　８１オ　？ｎ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　パターン位置を検出する光学系を備え九マス
クアライメント装置ｆおいて、被加工物の表面に設けら
れたアライメントパターンの付近を光学的に投影して結
像させる手段と、その結像位置を検出する手段とよりな
る自動焦点光学系を複数個設けるとともに、自在に上下
動せしめ得る支承手段によりて被加工物を支承し、かつ
、前記の結像位置検出手段の検出信号に基づいて被加工
物の支承手段を上下に駆動せしめ得るようにしたことを
特徴とするマスクアライメント装置。
（２）　　前記のアライメントパターン投影手段は、線
状のアライメントパターンに直交する細長い区域の映倫
を投影するものとしたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載のマスクアライメント装置。
（３）　　前記のパターン位置を検出する光学系は、こ
れを光路長を異にする二つの光路をハーフミラ−によっ
て整合する型式のものとし、被加工物のアライメントパ
ターンに対向する対物レンズを自動焦点光学系とパター
ン位置検出光学系とに共用したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載のマスクアライメント装置。