近接露光に適用される位置検出方法及びウエハと露光マスク
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アライメント時の位置検出方法に関し、特に、近接露光のスループット向上に適した位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】レンズ系と画像処理系とを組み合わせたアライメント装置において、アライメント時のウエハとマスクの位置合わせ方法として、垂直検出法と斜方検出法が知られている。垂直検出法は、アライメントマークをマスク面に垂直な方向から観測する方法であり、斜方検出法は、斜めから観測する方法である。
【０００３】垂直検出法で用いられる合焦方法として、色収差二重焦点法が知られている。色収差二重焦点法は、マスクに形成されたマスクマークとウエハに形成されたアライメントマークとを異なる波長の光で観測し、色収差を利用して同一平面に結像させる方法である。色収差二重焦点法は、原理的にレンズの光学的な分解能を高く設定できるため、絶対的な位置検出精度を高めることができる。
【０００４】一方、アライメントマークを垂直方向から観測するために、観測のための光学系が露光領域に入り込む。このままで露光すると、光学系が露光光を遮ることになるため、露光時には光学系を露光領域から退避させる必要がある。退避させるための移動時間が必要になるため、スループットが低下する。また、露光時にアライメントマークを観測できないため位置検出ができなくなる。これは、露光中のアライメント精度低下の原因になる。
【０００５】斜方検出法は、光軸がマスク面に対して斜めになるように光学系を配置するため、露光光を遮らないように配置することができる。このため、露光中に光学系を退避させる必要がなく、露光中でもアライメントマークを観測することができる。従って、スループットを低下させることなく、かつ露光中の位置ずれを防止することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】斜方検出法は、アライメントマークとマスクマークを斜方から観測して結像させるため、像歪により位置検出の絶対精度が低下する。また、照明光の光軸と観測光の光軸が一致していないため、照明光の光軸を観測光の光軸と同軸に配置することができない。従って、照明光軸が理想的な光軸からずれ易くなる。照明光軸が理想的な光軸からずれると、像が変化し正確な位置検出を行うことが困難になる。
【０００７】本発明の目的は、スループットを落とすことなく高精度なアライメントを行うことができる位置検出方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によると、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエハと、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用のマスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置する工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を斜入射し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位置を検出する工程とを含み、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されており、前記相対位置を検出する工程が、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されたウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測する工程を含む位置検出方法が提供される。
【０００９】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークのエッジと前記マスクマークのエッジとが、位置合わせが完了した状態では一方を平行移動して他方に重ねることができるように配置されている位置検出方法が提供される。
【００１０】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記ウエハマーク及びマスクマークごとに前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置され、その間隔が均一でない位置検出方法が提供される。
【００１１】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではなく、前記マスクマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではない位置検出方法が提供される。
【００１２】本発明の他の観点によると、前記相対位置を検出する工程が、対物レンズを有する光学系で前記散乱光を観測し、前記ウエハマークのエッジのうち少なくとも１つ、及び前記マスクマークのエッジのうち少なくとも１つは、その長さが前記対物レンズの分解能以下である位置検出方法が提供される。
【００１３】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークのエッジ及び前記マスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して平行な方向に複数個配列されている位置検出方法が提供される。
【００１４】本発明の他の観点によると、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有し、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている半導体基板が提供される。
【００１５】本発明の他の観点によると、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用マスクマークが形成され、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている露光マスクが提供される。
【００１６】
【作用】一般に、照明光軸と観測光軸とを同軸とし、光軸を露光面に対して斜めに配置すると、通常ウエハマーク及びマスクマークからの反射光が観測光軸の方向に戻ってこないため、これらマークを観測することができない。ウエハマーク及びマスクマークに入射光を散乱させるエッジを設けておくと、散乱光の一部が観測光軸の方向に戻ってくるため、このエッジを観測することができる。
【００１７】ウエハマーク及びマスクマークのエッジを、入射面に対して垂直な方向に複数個配置すれば、複数個のエッジを同時に結像させることができる。複数のエッジの像を同時に観測して位置検出を行えば、製造工程における各エッジの形状のばらつきによる位置検出誤差を吸収することができる。
【００１８】ウエハマークを平行移動してマスクマークに重ね合わせることができるように、ウエハマーク及びマスクマークを構成することにより、ウエハマーク及びマスクマークの画像信号の自己相関関数を求めて相対位置を検出することができる。
【００１９】マスクマークのエッジの長さ及びウエハマークのエッジの長さを不均一にしておけば、相似性パターンマッチングにおいてウエハマークとマスクマークのエッジのうち対応しないエッジの像は完全には重ならない。ウエハマーク及びマスクマークのエッジの像が完全に重なったときに相関値が大きなピークを示すが、対応しないエッジの像が一部重なっても、相関値はそれほど大きくならない。完全に重なったときと一部重なったときの相関値のピークの高さの比が大きくなるため、一部重なった状態を完全に重なった状態と誤認することを防止できる。
【００２０】また、ウエハマーク及びマスクマークのエッジ列のピッチを不均一にしても同様の作用を奏する。ウエハマークもしくはマスクマークのエッジの長さをレンズの分解能以下にすると、このエッジからの散乱光による像は、レンズの点像強度分布に近似される。また、エッジの長さがレンズの分解能以上であると、このエッジからの散乱光による像はレンズの線像強度分布に近似される。
【００２１】線像強度分布及び点像強度分布にそれぞれ近似される線像及び点像に含まれる位置検出誤差要因は異なるものと予想される。従って、線像及び点像の２種類の像を用いて位置検出を行うことにより、高精度に位置検出を行うことができると考えられる。
【００２２】ウエハマーク及びマスクマークのエッジを照明光の入射面に対して平行に複数個配列し、照明光軸方向からエッジを観測すると、複数のエッジのうちいずれかのエッジに焦点が合う。従って、ウエハとマスクとの間隔が目標とする間隔からずれても、いずれかのエッジを鮮明に観測することができる。
【００２３】
【実施例】図１（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位置検出装置の概略断面図を示す。位置検出装置はウエハ／マスク保持部１０、光学系２０、及び制御装置３０を含んで構成されている。
【００２４】ウエハ／マスク保持部１０は、ウエハ保持台１５、マスク保持台１６、及び駆動機構１７から構成されている。位置合わせ時には、ウエハ保持台１５の上面にウエハ１１を保持し、マスク保持台１６の下面にマスク１２を保持する。ウエハ１１とマスク１２とは、ウエハ１１の露光面とマスク１２との間に一定の間隙が形成されるように平行に配置される。ウエハ１１の露光面には、位置合わせ用のウエハマーク１３が形成され、マスク１４の下面（マスク面）には位置合わせ用のマスクマーク１４が形成されている。以下、ウエハマークとマスクマークとを総称してアライメントマークと呼ぶ。
【００２５】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４には、入射光を散乱させるエッジが形成されている。これらのマークに光が入射すると、エッジに当たった入射光は散乱し、その他の領域に当たった入射光は正反射する。ここで、正反射とは、入射光のうちほとんどの成分が、同一の反射方向に反射することをいう。
【００２６】駆動機構１７は、ウエハ保持台１５及びマスク保持台１６を相対的に移動することができる。図の左から右にｘ軸、紙面に垂直な方向に表面から裏面に向かってｙ軸、露光面の法線方向にｚ軸をとると、ウエハ１１とマスク１２は相対的に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向、及びｚ軸の回りの回転方向（θ方向）に移動可能である。
【００２７】光学系２０は、像検出装置２１、レンズ２２、ハーフミラー２３、及び光源２４を含んで構成されている。光学系２０は、その光軸２５が露光面に対して斜めになるように配置されている。光源２４から放射された照明光はハーフミラー２３で反射して光軸２５に沿った光束とされ、レンズ２２を通して露光面に斜入射される。光源２４はレンズ２２の像側の焦点に配置されており、光源２４から放射された照明光はレンズ２２でコリメートされて平行光束になる。なお、光源２４は、照射光の強度を調整することができる。
【００２８】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４のエッジで散乱された散乱光のうちレンズ２２に入射する光は、レンズ２２で収束されて像検出装置２１の受光面上に結像する。このように、光学系２０による照明はテレセン照明とされ、照明光軸と観測光軸は同一光軸とされている。
【００２９】像検出装置２１は、受光面に結像したウエハマーク及びマスクマークの像を光電変換し画像信号に変換する。画像信号は制御装置３０に入力される。制御装置３０は、像検出装置２１から入力された画像信号を処理して、ウエハマーク１３とマスクマーク１４の相対位置を検出する。さらに、ウエハマーク１３とマスクマーク１４が所定の相対位置関係になるように、駆動機構１７に対して制御信号を送出する。駆動機構１７は、この制御信号に基づいて、ウエハ保持台１５もしくはマスク保持台１６を移動させる。
【００３０】図１（Ｂ）は、ウエハマーク１３及びマスクマーク１４の相対位置関係を示す平面図である。四辺がｘ軸もしくはｙ軸に平行に配置された長方形パターンをｘ軸方向に３個配列して、１個のマークが構成されている。なお、後述するように３個以上の長方形パターンを配列してもよい。ウエハマーク１３は一対で構成されており、マスクマーク１４が一対のウエハマーク１３の間に配置されている。
【００３１】図１（Ａ）のウエハマーク１３及びマスクマーク１４は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面を示している。ウエハマーク１３及びマスクマーク１４に入射した照明光は、図１（Ｂ）の各長方形パターンの光軸に向かって突き出したエッジで散乱される。エッジ以外の領域に照射された光は正反射し、レンズ２２には入射しない。従って、像検出装置２１でエッジからの散乱光のみを検出することができる。
【００３２】次に、エッジ散乱光による像の性質について説明する。インコヒーレントな単色光による像の光強度分布Ｉは、
【００３３】
【数１】
と表される。ここで、Ｏ（ｘ，ｙ）は観測物体表面からの反射光の強度分布、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）はレンズの点像強度分布（point spread function ）、積分は観測物体の表面全域における積分を表す。
【００３４】図１（Ｂ）の各長方形パターンの１つのエッジに着目すると、光を反射する微小な点がｙ軸に平行に配列したものと考えることができる。この微小な１点からの反射光強度分布をディラックのデルタ関数δと仮定する。実際に、微小な１点からの散乱光の強度分布はデルタ関数に近似することができるであろう。レンズのアイソプラナティズムが成立する範囲で、エッジがｙ軸方向に延びているとすると、Ｏ（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ）とおくことができる。
【００３５】式（１）は、
【００３６】
【数２】
と変形できる。このＩ（ｘ）はレンズの線像強度分布（line spred function ）であり、
【００３７】
【数３】
Ｉ（ｘ）＝ＬＳＦ（ｘ） …（３）
と書くことができる。ここで、ＬＳＦ（ｘ）はレンズの線像強度分布を表す。
【００３８】照明光が連続スペクトルを有する場合には、
【００３９】
【数４】
と表される。ここで、λは光の波長、ＬＳＦλは波長λの線像強度分布、Δｘλは波長λの光に対するレンズの色収差による線像の横ずれ量、積分は全波長領域における積分を表す。
【００４０】式（４）から、エッジからの散乱光を観測することはレンズの線像強度分布を観測していることと等価になることがわかる。従って、エッジからの散乱光を観測することにより、観測物体からの反射光の面内強度分布に左右されることなく、常に安定した像を得ることができる。
【００４１】図１（Ｃ）の左図は、図１（Ａ）の像検出装置２１の受光面に結像した像の形状を示す。観測光軸を含む入射面と受光面との交線方向をｘ軸、受光面内のｘ軸に直交する方向をｙ軸とすると、１つのエッジによる像はｙ軸に平行な直線状形状になる。従って、各マークの像は、ｙ軸に平行な直線状の像がｘ軸方向に３個配列した形状になる。
【００４２】ウエハマーク１３のエッジ散乱光による一対の像１３Ａの間に、マスクマーク１４のエッジ散乱光による像１４Ａが形成されている。また、観測光軸が露光面に対して斜めであるため、マスクマークの像１４Ａとウエハマークの像１３Ａとは、ｘ軸方向に関して異なる位置に検出される。
【００４３】図１（Ｃ）の右図は、ウエハマークの像１３Ａ及びマスクマークの像１４Ａのｙ軸方向の光強度分布を示す。一方のウエハマークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａとのｙ軸方向の距離をｙ１、他方のウエハマークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａとのｙ軸方向の距離をｙ２とする。ｙ１とｙ２を測定することにより、図１（Ｂ）におけるウエハマーク１３とマスクマーク１４のｙ軸方向の相対位置関係を知ることができる。
【００４４】例えば、マスクマークがｙ軸方向に関して一対のウエハマークの中央にくるように位置決めしたい場合には、ｙ１とｙ２とが等しくなるように、ウエハもしくはマスクのうち一方を他方に対して相対的に移動させればよい。このようにして、図１（Ｂ）におけるｙ軸方向に関して位置合わせすることができる。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すような位置合わせ用のマークと光学系とを３組配置することにより、ｘ軸、ｙ軸及びθ方向に関して位置合わせすることができる。なお、図１（Ａ）では、照明光軸と観測光軸とが同軸である場合を説明したが、必ずしも同軸である必要はない。正反射光が観測光学系の対物レンズに入射せず、散乱光のみが入射する条件であればよい。
【００４５】次に、露光面とマスク面との間隔を測定する方法について説明する。像検出装置２１の受光面に結像している物点は、光学系２０の物空間において光軸に垂直な平面上にある。以下、この平面を「被結像面」とよぶ。
【００４６】ウエハマーク及びマスクマークの各エッジのうち、被結像面上にあるエッジは受光面上に合焦するが、被結像面上にないエッジは合焦せず被結像面から遠ざかるに従ってピントがぼける。従って、各マークのエッジのうち被結像面に最も近い位置にあるエッジの像が最も鮮明になり、そのエッジからｘ軸方向に離れるに従って像がぼける。
【００４７】図１（Ｃ）において、距離ｘ1 は、ウエハマークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａのそれぞれ最もピントが合っている点のｘ軸方向の距離を表す。すなわち、距離ｘ1 は、ウエハマークの合焦点とマスクマークの合焦点とを入射面へ垂直投影した点の距離にほぼ等しい。
【００４８】図１（Ｄ）は、ウエハ面１１及びマスク面１２の被結像面近傍の入射面における断面図を示す。点Ｑ2 はウエハ面１１と被結像面との交線上の点、点Ｑ1 はマスク面１２と被結像面との交線上の点である。線分Ｑ1 Ｑ2 の長さが図１（Ｃ）における距離ｘ1 に対応する。
【００４９】線分Ｑ1 Ｑ2 の長さをＬ（Ｑ1 Ｑ2 ）で表すと、露光面１１とマスク面１２との間隔δは、
【００５０】
【数５】
δ＝Ｌ（Ｑ1 Ｑ2 ）×ｓｉｎ（α） …（５）
と表される。ここで、αはウエハ面１１の法線方向と光軸２５とのなす角である。従って、図１（Ｃ）における距離ｘ1 を測定して線分Ｑ1 Ｑ2 の長さを求めることにより、間隔δを知ることができる。間隔δをより正確に知るためには、距離ｘ1 を正確に測定することが好ましい。このためには、レンズの焦点深度が浅いほうがよい。
【００５１】制御装置３０に、予め距離ｘ1 の目標値を記憶させておき、測定された距離ｘ1 が目標値に近づくように駆動機構１７を制御することにより、ウエハ面１１とマスク面１２との間隔を所望の間隔に設定することができる。
【００５２】次に、ウエハマークからの散乱光を観察した実験結果について説明する。図２（Ａ）は、観察実験に用いたウエハマークの平面図を示す。３本の長方形のパターンが平行に配置されて１つのウエハマークを構成している。長方形パターンの幅は６μｍ、長さは１００μｍである。各長方形パターンは、入射光を散乱させるエッジを有する。以下、この長方形パターンのように、入射光を散乱させるエッジを有するパターンをエッジパターンと呼ぶ。
【００５３】図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、共に図２（Ａ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。図２R>２（Ｂ）に示すウエハにおいては、シリコン基板４０の表面上に、レジストパターン４１（シプレー社製のマイクロポジット２４００）が形成されている。レジストパターン４１の厚さＨ１は１．２μｍ、幅Ｗは６μｍである。
【００５４】中央のエッジパターンの中心線と両側のエッジパターンの中心線との距離を、それぞれｙ３、ｙ４とする。実験に使用したウエハには、ｙ３−ｙ４が０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍ、・・・１８０ｎｍの１０種類のウエハマークが形成されている。以下、ｙ３−ｙ４を中央のエッジパターンの変位量と呼ぶ。なお、各マークともｙ３＋ｙ４は２６μｍである。
【００５５】図２（Ｃ）に示すウエハにおいては、シリコン基板４０の表面上にシリコンの凸部４４が形成されている。凸部４４の高さＨ２は０．５μｍである。シリコン基板４０の表面を覆うように厚さ０．７μｍのフォスフォシリケートガラス（ＰＳＧ）膜４２、厚さ１．４５μｍのレジスト膜４３がこの順番に積層されている。凸部４４の幅及び間隔は図２（Ｂ）に示すそれと同様である。
【００５６】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成されたウエハマークを、図１（Ａ）に示すように斜方から観察したときの像を示す。観察に用いた顕微鏡は、対物レンズの開口数ＮＡが０．４、検出倍率が１００倍のものである。照明光軸の入射面が図２（Ａ）の各エッジパターンの長手方向に平行で、露光面の法線とのなす角が３０°であり、照明光軸と同軸の観測光軸を有する光学系で観察した。図３（Ａ）では、３つのウエハマークに対応する像が観察される。各ウエハマークごとに３つ並んだ長円状の像が現れている。これらは、図２（Ａ）のエッジパターンの短辺からの散乱光による像である。
【００５７】なお、図中、３つ並んだ長円状の像の下方に現れている像は、各マークの下方に形成された通し番号マークからのエッジ散乱光によるものである。ただし、像検出装置で図３（Ａ）の横方向に走査し、３つ並んだ長円状の像に掛かる走査線の画像信号のみを基に位置検出を行えば、下方の像による影響を回避することができる。
【００５８】図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成されたウエハマークを、露光面の法線方向から観察したときの像を示す。図３（Ｂ）には、３つのウエハマークに対応する像が現れている。各マークの下方に形成された数字マークは、ウエハマークの通し番号を示す数字である。
【００５９】図４は、図３（Ａ）の長円状の像に掛かる走査線に対応する画像信号のうち、１つのウエハマークに相当する部分を示す。横軸は露光面上の位置を表し、縦軸は光強度を表す。３つ並んだ長円状の像に対応して３つの矩形状のピークが現れている。このように、エッジ散乱光を検出することにより、エッジ部分に対応してピークを示す画像信号を得ることができる。
【００６０】図３、図４では、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成したウエハマークを観察した場合の像及び画像信号を示したが、図２（Ｃ）に示す積層構造を有するウエハマークについても、同様の像及び画像信号を得ることができた。
【００６１】図５は、画像信号を信号処理して、中央のエッジパターンの変位量ｙ３−ｙ４を測定した結果を示す。図５（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成したウエハマークの場合、図５（Ｂ）は、図２（Ｃ）に示す積層構造のウエハマークの場合である。横軸は、ウエハマークの通し番号を表す。ここで、通し番号ｎのウエハマークの変位量ｙ３−ｙ４はｎ×２０ｎｍである。縦軸は、観測により求めた変位量ｙ３−ｙ４を単位ｎｍで表す。
【００６２】図中の記号◆は、垂直検出により観測した変位量を示し、記号■は、エッジ散乱光により観測した変位量を示す。エッジ散乱光により観測した変位量は、相似性パターンマッチング（特開平２−９１５０２号公報の第４頁左下欄１４行目〜第７頁左上欄３行目）により求めた。
【００６３】以下に、相似性パターンマッチングによる変位量の測定方法を簡単に説明する。まず、図４に示す画像信号を微分した微分画像信号を得る。この微分画像信号の自己相関関数を計算する。図４の中央のピークと左側のピーク、及び中央のピークと右側のピークが重なるときに自己相関関数が極大値を示す。従って、自己相関関数が極大値をとるときの移動量を求めることにより、距離ｙ３及びｙ４を求めることができる。このようにして求めた距離ｙ３及びｙ４から変位量ｙ３−ｙ４を計算する。
【００６４】距離ｙ３及びｙ４をより正確に求めるためには、ウエハマークに対応する微分画像信号のピークを平行移動したときに、マスクマークに対応する微分画像信号のピークにほぼ重なるように、相似性を保った形状とすることが好ましい。
【００６５】図５（Ａ）に示すように、レジストパターンでウエハマークを形成した場合には、エッジ散乱光を観測して求めた変位量ｙ３−ｙ４が、ウエハマークの通し番号０〜９のすべてについて従来の垂直検出により求めたそれとほぼ等しい。
【００６６】図５（Ｂ）に示すように、シリコンの凸部でウエハマークを形成した場合には、エッジ散乱光を観測して求めた変位量ｙ３−ｙ４が、マークの通し番号０〜９のすべてについて従来の垂直検出により求めたそれよりもやや大きくなった。観測された変位量の増分は、約１３ｎｍであった。１３ｎｍ程度の差は、例えばＸ線露光におけるアライメントで大きな問題になる量ではない。また、後に実施例で説明するようなウエハマーク形状とすることにより、この差は小さくなるであろう。
【００６７】上述の方法では、ウエハマーク及びマスクマークの１つのエッジからの散乱光により位置検出を行っている。マスク製造工程もしくはウエハ製造工程のばらつきにより、各マークのエッジ形状が理想的な形状からずれると、正確な位置検出ができなくなる。次に、ウエハマーク及びマスクマークの形状を、製造工程のばらつきによる影響を受けにくい形状とした第１の実施例について説明する。
【００６８】図６（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるアライメントマークの平面図を示す。露光面をｘｙ平面とし、その法線方向をｚ軸とする座標系を考える。一対のウエハマーク５２Ａ及び５２Ｂがｙ軸に沿って配置され、その間にマスクマーク６２が配置されている。なお、後述する他の実施例についても同様の座標系を用いて説明する。
【００６９】ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂは、共に入射光を散乱させるエッジを有する長方形状のパターン（エッジパターン）５１がｘ軸及びｙ軸に沿って格子状に配置された構成とされている。図６（Ａ）では、ｙ軸に沿って３個、ｘ軸に沿って５個のエッジパターン５１が配置されている場合を示している。マスクマーク６２も同様に、エッジパターン６１が格子状に配置された構成とされている。
【００７０】図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ６−Ｂ６における断面図を示す。ウエハ５０の表面上にエッジパターン５１が形成されている。マスク６０の下面にエッジパターン６１が形成されている。
【００７１】図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ６−Ｃ６における断面図を示す。各アライメントマーク内において、ｙ軸方向の長さがＷのエッジパターン５１もしくは６１が、ｙ軸に沿ってピッチＰで配置されている。ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間距離をｙ５、ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２との中心間距離をｙ６とする。
【００７２】図６（Ｄ）は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すアライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面に含まれる斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。横軸はｙ軸方向の位置、縦軸は信号強度を表す。各アライメントマークにおいてｙ軸方向に並んだ３つのエッジパターンは、斜光軸に対して垂直な平面上にある。このため、ｙ軸方向に並んだ３つのエッジパターンが同時に観測光学系の被結像面上に並ぶことができ、各エッジパターンからのエッジ散乱光はいずれも鮮明な像を結ぶ。ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂ、及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ３個のピークが観測される。ピークの幅は、エッジパターンのｙ軸方向の長さＷに等しく、ピーク列のピッチは、エッジパターンのｙ軸方向のピッチＰに等しい。
【００７３】図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す画像信号を微分した微分画像信号の自己相関関数を示す。横軸はｙ軸方向の移動量Δｙを表し、縦軸は相関値を表す。図６R>６（Ｄ）において、ウエハマーク５２Ａに対応するピークをｙ軸の正の向きに平行移動する。ウエハマーク５２Ａの右端のピークがマスクマーク６２の左端のピークに重なったところで相関値が大きくなり、図６（Ｅ）に示すようにピークａ１が現れる。
【００７４】さらにｙ軸の正の向きにピッチＰだけ移動すると、ウエハマーク５２Ａの右端と中央のピークが、それぞれマスクマーク６２の中央と左端のピークに重なる。このとき、画像信号の２つのピークが重なっているため、１つのピークが重なっているときよりも相関値が大きくなり、ピークａ１よりも高いピークａ２が現れる。
【００７５】さらにｙ軸の正の向きにピッチＰだけ移動すると、ウエハマーク５２Ａの３つのピークがマスクマーク６２の３つのピークに重なる。このとき相関値が最大になり、最も高いピークａ３が現れる。さらに移動すると、ピークａ２及びａ１とほぼ同じ高さのピークが順番に現れる。最も高いピークａ３を与える移動量Δｙが、ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間距離ｙ５に相当する。ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２との中心間距離ｙ６も、同様に求めることができる。
【００７６】このように、ｙ軸方向に３つのエッジパターンを配置すると、同時に３つのエッジパターンからのエッジ散乱光を観測することができる。このため、製造工程のばらつき等によって１つのエッジ部分の形状が理想的な形状からずれても、他のエッジ部分のエッジ散乱光も同時に観測しているため高精度に位置検出することができる。なお、ｙ軸方向に沿って配置するエッジパターンの数は３個に限らず、２個以上のパターンを配置することにより、同様の効果を得ることができるであろう。
【００７７】図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すアライメントマークを用いた場合には、図６（Ｅ）に示すように、最大のピークａ３の両側にやや高さの低いピークａ２が現れる。ピークａ２を最大のピークと誤認した場合には、正確な位置検出ができなくなる。この誤認は、ｙ軸に沿って配置されたエッジパターンの数が増加した場合や、画像信号のＳ／Ｎ比が低下した場合に起こりやすくなる。以下、アライメントマークを、ピークの誤認が生じにくい形状とした第２の実施例について説明する。
【００７８】図７（Ａ）は、第２の実施例によるアライメントマークの断面図を示す。なお、アライメントマークの平面配置は図６（Ａ）に示す第１の実施例の場合と同様である。各アライメントマーク５２Ａ、５２Ｂ、及び６２は、ｙ軸に沿って配置された３個のエッジパターンを含んで構成されている。各アライメントマークにおいて、エッジパターンのｙ軸に沿ったエッジの長さは均一ではない。各エッジパターンは、１つのアライメントマークをｙ軸に沿って平行移動して他のアライメントマークに重ね合わせたとき、対応するエッジパターンのエッジの長さが等しくなるように形成されている。
【００７９】図７（Ａ）に示す各アライメントマークの中央のエッジパターンのエッジの長さはＷ２、両側のエッジパターンのエッジの長さはＷ１である。各アライメントマーク内において、エッジパターンのｙ軸方向のピッチはＰである。ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間距離はｙ５、ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２との中心間距離はｙ６である。
【００８０】図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すアライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面内の斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂ、及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ３個のピークが観測される。各アライメントマークの中央のピークの幅はＷ２、両側のピークの幅はＷ１になる。１つのアライメントマーク内において、ピーク列のピッチは、エッジパターンのｙ軸方向のピッチＰに等しい。
【００８１】図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）に示す画像信号を微分した微分画像信号の自己相関関数を示す。図６（Ｅ）の場合と同様に５個のピークが現れている。ピークｂ１はウエハマーク５２Ａの右端のピークとマスクマーク６２の左端のピークが重なったときに対応し、ピークｂ２は、ウエハマーク５２Ａの右端及び中央のピークがそれぞれマスクマーク６２の中央及び左端のピークに重なったときに対応している。ピークｂ３は、ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２の３つのピークがそれぞれ重なったときに対応している。
【００８２】ピークｂ２を示す状態において、相互に重なっている信号強度のピーク幅が異なるため、ピーク幅が等しい場合に比べて相関値が小さい。このため、ピークｂ２の高さは、図６（Ｅ）におけるピークａ２の高さよりも低くなる。最大のピークｂ３とその両側のピークｂ２との高さの比が大きくなるため、最大ピークの誤認が生じにくくなる。
【００８３】なお、図７（Ａ）では、各アライメントマーク内のエッジパターンのエッジの長さを不均一にした場合を示したが、エッジの長さを均一にしエッジパターンのピッチを不均一にしてもよい。また、エッジの長さとピッチの双方を不均一にしてもよい。なお、ミスアライメントの発生を抑制するためには、エッジの長さもしくはピッチの不均一の程度を±１０％以上とすることが好ましい。
【００８４】次に、図８、図９を参照して第３の実施例について説明する。図８（Ａ）は、ウエハマークの１つのエッジパターンの斜視図を示す。図のｘｚ平面内の斜光軸に沿って照明光を斜入射させ、ｙ軸に沿って延在するエッジからの散乱光を観測する。この場合、散乱光による像は、前述の式（４）で示す強度分布になるため、図８（Ｂ）に示すようなレンズの線像強度分布に相当する像が得られる。
【００８５】図８（Ｃ）に示すように、ｙ軸に沿って延在するエッジの長さを短くする。エッジの長さがレンズの解像度よりも短くなると、式（１）における反射光の強度分布Ｏ（ｘ，ｙ）はδ（ｘ，ｙ）とおくことができるであろう。従って、式（１）は、
【００８６】
【数６】
と変形することができる。ここで、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は、レンズの点像強度分布を表す。
【００８７】照明光が連続スペクトルを有する場合には、
【００８８】
【数７】
と表すことができる。ここで、λは光の波長、ＰＳＦλは波長λの点像強度分布、Δｘλは波長λの光に対するレンズの色収差による点像の横ずれ量、積分は全波長領域における積分を表す。
【００８９】このように、エッジの長さをレンズの分解能以下にすることにより、図８（Ｄ）に示すようにレンズの点像強度分布に近似される点像を得ることができる。線像強度分布及び点像強度分布にそれぞれ近似される線像及び点像に含まれる位置検出誤差要因は異なるものと予想される。エッジ散乱光による像をエッジの長さ方向に積分したとき、誤差成分が累積されるような誤差要因は、線像に大きく影響を与えるが点像には大きな影響を与えないと考えられる。逆に誤差成分が打ち消し合うような誤差要因は、点像に大きく影響を与えるが線像には大きな影響を与えないと考えられる。
【００９０】アライメントマークに、線像を結ぶエッジと点像を結ぶエッジとを形成することにより、総合的に位置検出誤差が小さくなるものと考えられる。図９（Ａ）は、第３の実施例によるアライメントマークの断面図を示す。ウエハ５０の表面上にウエハマーク５２Ａ及び５２Ｂが形成されている。マスク６０の下面にマスクマーク６２が形成されている。各アライメントマークは、ｙ軸に沿って配置された５個のエッジパターンを含んで構成されている。５個のエッジパターンのうち両端のものは、ｙ方向に延在するエッジの長さがレンズの解像度よりも短い。
【００９１】図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のアライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面内の斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂ及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ５本のピークが現れている。５本のピークのうち両端のピーク幅は狭く、レンズの点像強度分布に近似できる。この画像信号を微分した微分画像信号を用いて相似性パターンマッチングを行うことにより、点像及び線像の両方を用いて位置検出を行うことができる。
【００９２】上記第１〜第３の実施例では、エッジパターンを入射面の法線方向に沿って配置し、位置検出誤差を低減する方法を説明した。次に、エッジパターンを入射面に平行な方向に配列し、ウエハとマスクとの間隔のばらつきに影響を受けないで位置検出を行う方法を説明する。
【００９３】図１０（Ａ）は、第４の実施例によるウエハマークの平面図を示す。２１個の長方形状のエッジパターン７０がｘ軸に沿って４μｍピッチで配列している。このエッジパターン７０の列がｙ軸方向に３列配置されている。
【００９４】図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のウエハマークをｘｚ面に含まれる入射角３０°の光軸方向から観測する場合の、ウエハマーク及び光学系の概略断面図を示す。ウエハ７１の表面上にエッジパターン７０が形成されている。斜光軸７３に平行な照明光を斜入射し、エッジパターン７０のエッジからの散乱光を観測する。図中の破線７２は観測光学系の被結像面を表している。
【００９５】ウエハ７１が図のｕ１の位置にあるとき、図の左から５番目のエッジパターンが被結像面７２上に位置する。ウエハ７１を光軸７３に沿って平行移動し、ウエハ７１が図のｕ２及びｕ３の位置に来ると、それぞれ図の左から３番目及び左端のエッジパターンが被結像面７２上に位置することになる。
【００９６】エッジパターン７０のｘ軸方向のピッチが４μｍのとき、ウエハ７１を光軸方向に２μｍ移動させれば、被結像面７２上に位置するエッジパターンが１つずれることになる。従って、レンズの焦点深度を１μｍにすれば、常にいずれかのエッジパターンに焦点を合わせることができる。
【００９７】図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示すウエハマークを図１０（Ｂ）に示す方法で観測して、エッジパターンの位置検出を行ったときの検出位置のウエハ位置依存性を示す。横軸は焦点が合っているエッジパターンの通し番号を表し、縦軸は検出値を単位ｎｍで表す。ここで、検出値は、ｙ軸方向に関して中央にあるエッジパターンとその両側にあるそれぞれのエッジパターンとの間隔の相互の差分の半分と定義した。
【００９８】１番目のエッジパターンを観測している状態から２１番目のエッジパターンを観測している状態までの、ウエハの光軸方向の移動距離は４０μｍである。図１０（Ｃ）に示すように、ウエハを４０μｍ移動しても、検出値は−１７ｎｍ〜＋２５ｎｍの範囲に納まる。
【００９９】このように、ウエハを光軸方向に移動させても比較的高精度にエッジパターンの位置を検出することができる。また、検出値のばらつきの主な要因はエッジパターンの形状のばらつきによるものと思われる。従って、第１の実施例で説明したように、エッジパターンをｙ軸方向に複数配置し、複数のエッジパターンを同時に観測して位置検出を行えば、より高精度の位置検出を行うことができるであろう。
【０１００】図１１は、入射面に平行な方向に複数のエッジパターンを配列したウエハマーク及びマスクマークの断面図を示す。図中の破線７２は、観測光学系の被結像面を示す。
【０１０１】ウエハ７１が図のｖ１もしくはｖ２で表される位置にあるとき、いずれかのエッジパターンが被結像面７２上に位置するため、ウエハ７１がｖ１もしくはｖ２のいずれの位置にあっても、ウエハマーク及びマスクマークからの散乱光によるエッジの像を鮮明に検出することができる。また、マスクマークもｘ軸方向に複数のエッジパターンを配列して構成されているため、マスクのｚ軸方向の位置がずれてもマスクマークからの散乱光によるエッジの像を鮮明に検出することができる。なお、いずれかのエッジパターンがレンズの焦点深度内に納まるようにエッジパターン列のピッチを選んでおけば、エッジが丁度被結像面上になくてもエッジの像を鮮明に検出することができる。
【０１０２】従って、ウエハ及びマスクのｚ軸方向の位置が一定の範囲内で変動しても安定して位置検出を行うことができる。また、図１（Ｃ）、（Ｄ）で説明したのと同様の方法で、ウエハとマスクとの間隔を求めることができる。
【０１０３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１０４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、斜方からウエハマーク及びマスクマークを観察して、高精度に位置検出することができる。位置合わせを行った後にウエハを露光する場合、露光範囲に光学系を配置する必要がないため、露光期間中も常時位置検出を行うことができる。このため、高精度な露光が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位置検出装置の概略断面図、図１（Ｂ）は、ウエハマーク及びマスクマークの平面図、図１（Ｃ）は、ウエハマーク及びマスクマークからのエッジ散乱光による像及び像面内の光強度分布を示す図、図１（Ｄ）は、ウエハ面及びマスク面の被結像面近傍の断面図である。
【図２】エッジ散乱光の観測実験に使用したウエハマークの平面図及び断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すウエハマークからのエッジ散乱光による像の写真をスケッチした図、図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すウエハマークを垂直検出した像の写真をスケッチした図である。
【図４】図２（Ｂ）に示すウエハマークからのエッジ散乱光による像の画像信号を示す図である。
【図５】画像信号を信号処理して、変位量を測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６（Ａ）は、第１の実施例によるアライメントマークの平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ６−Ｂ６における断面図、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ６−Ｃ６における断面図、図６（Ｄ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図、図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す画像信号の自己相関関数を示すグラフである。
【図７】図７（Ａ）は、第２の実施例によるアライメントマークの断面図、図７（Ｂ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）に示す画像信号の自己相関関数を示すグラフである。
【図８】図８（Ａ）及び（Ｃ）は、ウエハマークを構成する１つのエッジパターンの斜視図、図８（Ｂ）及び（Ｄ）は、それぞれ図８（Ａ）及び（Ｃ）に示すエッジパターンからのエッジ散乱光による像を表す図である。
【図９】図９（Ａ）は、第３の実施例によるアライメントマークの断面図、図９（Ｂ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、第４の実施例によるウエハマークの平面図、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のウエハマークを斜め方向から観測する場合のウエハマーク及び観測光学系の概略断面図、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示すウエハマークを図１０（Ｂ）に示す方法で観測してエッジパターンの位置検出を行ったときの検出位置のウエハ位置依存性を示すグラフである。
【図１１】第４の実施例によるウエハマーク及びマスクマークの断面図である。
【符号の説明】
１０ ウエハ／マスク保持部
１１ ウエハ
１２ マスク
１３ ウエハマーク
１４ マスクマーク
１５ ウエハ保持台
１６ マスク保持台
１７ 駆動機構
２０ 光学系
２１ 像検出装置
２２ レンズ
２３ ハーフミラー
２４ 光源
２５ 光軸
３０ 制御装置
４０、５０、７１ ウエハ
４１、４４、５２Ａ、５２Ｂ ウエハマーク
４２ ＰＳＧ膜
４３ レジスト膜
５１、６１、７０、７５ エッジパターン
６０、７４ マスク
６２ マスクマーク
７２ 被結像面
７３ 光軸
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アライメント時の位置検出方法に関し、特に、近接露光のスループット向上に適した位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】レンズ系と画像処理系とを組み合わせたアライメント装置において、アライメント時のウエハとマスクの位置合わせ方法として、垂直検出法と斜方検出法が知られている。垂直検出法は、アライメントマークをマスク面に垂直な方向から観測する方法であり、斜方検出法は、斜めから観測する方法である。
【０００３】垂直検出法で用いられる合焦方法として、色収差二重焦点法が知られている。色収差二重焦点法は、マスクに形成されたマスクマークとウエハに形成されたアライメントマークとを異なる波長の光で観測し、色収差を利用して同一平面に結像させる方法である。色収差二重焦点法は、原理的にレンズの光学的な分解能を高く設定できるため、絶対的な位置検出精度を高めることができる。
【０００４】一方、アライメントマークを垂直方向から観測するために、観測のための光学系が露光領域に入り込む。このままで露光すると、光学系が露光光を遮ることになるため、露光時には光学系を露光領域から退避させる必要がある。退避させるための移動時間が必要になるため、スループットが低下する。また、露光時にアライメントマークを観測できないため位置検出ができなくなる。これは、露光中のアライメント精度低下の原因になる。
【０００５】斜方検出法は、光軸がマスク面に対して斜めになるように光学系を配置するため、露光光を遮らないように配置することができる。このため、露光中に光学系を退避させる必要がなく、露光中でもアライメントマークを観測することができる。従って、スループットを低下させることなく、かつ露光中の位置ずれを防止することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】斜方検出法は、アライメントマークとマスクマークを斜方から観測して結像させるため、像歪により位置検出の絶対精度が低下する。また、照明光の光軸と観測光の光軸が一致していないため、照明光の光軸を観測光の光軸と同軸に配置することができない。従って、照明光軸が理想的な光軸からずれ易くなる。照明光軸が理想的な光軸からずれると、像が変化し正確な位置検出を行うことが困難になる。
【０００７】本発明の目的は、スループットを落とすことなく高精度なアライメントを行うことができる位置検出方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によると、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエハと、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用のマスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置する工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を斜入射し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位置を検出する工程とを含み、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されており、前記相対位置を検出する工程が、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されたウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測する工程を含む位置検出方法が提供される。
【０００９】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークのエッジと前記マスクマークのエッジとが、位置合わせが完了した状態では一方を平行移動して他方に重ねることができるように配置されている位置検出方法が提供される。
【００１０】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記ウエハマーク及びマスクマークごとに前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置され、その間隔が均一でない位置検出方法が提供される。
【００１１】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではなく、前記マスクマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではない位置検出方法が提供される。
【００１２】本発明の他の観点によると、前記相対位置を検出する工程が、対物レンズを有する光学系で前記散乱光を観測し、前記ウエハマークのエッジのうち少なくとも１つ、及び前記マスクマークのエッジのうち少なくとも１つは、その長さが前記対物レンズの分解能以下である位置検出方法が提供される。
【００１３】本発明の他の観点によると、前記ウエハマークのエッジ及び前記マスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して平行な方向に複数個配列されている位置検出方法が提供される。
【００１４】本発明の他の観点によると、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有し、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている半導体基板が提供される。
【００１５】本発明の他の観点によると、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用マスクマークが形成され、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている露光マスクが提供される。
【００１６】
【作用】一般に、照明光軸と観測光軸とを同軸とし、光軸を露光面に対して斜めに配置すると、通常ウエハマーク及びマスクマークからの反射光が観測光軸の方向に戻ってこないため、これらマークを観測することができない。ウエハマーク及びマスクマークに入射光を散乱させるエッジを設けておくと、散乱光の一部が観測光軸の方向に戻ってくるため、このエッジを観測することができる。
【００１７】ウエハマーク及びマスクマークのエッジを、入射面に対して垂直な方向に複数個配置すれば、複数個のエッジを同時に結像させることができる。複数のエッジの像を同時に観測して位置検出を行えば、製造工程における各エッジの形状のばらつきによる位置検出誤差を吸収することができる。
【００１８】ウエハマークを平行移動してマスクマークに重ね合わせることができるように、ウエハマーク及びマスクマークを構成することにより、ウエハマーク及びマスクマークの画像信号の自己相関関数を求めて相対位置を検出することができる。
【００１９】マスクマークのエッジの長さ及びウエハマークのエッジの長さを不均一にしておけば、相似性パターンマッチングにおいてウエハマークとマスクマークのエッジのうち対応しないエッジの像は完全には重ならない。ウエハマーク及びマスクマークのエッジの像が完全に重なったときに相関値が大きなピークを示すが、対応しないエッジの像が一部重なっても、相関値はそれほど大きくならない。完全に重なったときと一部重なったときの相関値のピークの高さの比が大きくなるため、一部重なった状態を完全に重なった状態と誤認することを防止できる。
【００２０】また、ウエハマーク及びマスクマークのエッジ列のピッチを不均一にしても同様の作用を奏する。ウエハマークもしくはマスクマークのエッジの長さをレンズの分解能以下にすると、このエッジからの散乱光による像は、レンズの点像強度分布に近似される。また、エッジの長さがレンズの分解能以上であると、このエッジからの散乱光による像はレンズの線像強度分布に近似される。
【００２１】線像強度分布及び点像強度分布にそれぞれ近似される線像及び点像に含まれる位置検出誤差要因は異なるものと予想される。従って、線像及び点像の２種類の像を用いて位置検出を行うことにより、高精度に位置検出を行うことができると考えられる。
【００２２】ウエハマーク及びマスクマークのエッジを照明光の入射面に対して平行に複数個配列し、照明光軸方向からエッジを観測すると、複数のエッジのうちいずれかのエッジに焦点が合う。従って、ウエハとマスクとの間隔が目標とする間隔からずれても、いずれかのエッジを鮮明に観測することができる。
【００２３】
【実施例】図１（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位置検出装置の概略断面図を示す。位置検出装置はウエハ／マスク保持部１０、光学系２０、及び制御装置３０を含んで構成されている。
【００２４】ウエハ／マスク保持部１０は、ウエハ保持台１５、マスク保持台１６、及び駆動機構１７から構成されている。位置合わせ時には、ウエハ保持台１５の上面にウエハ１１を保持し、マスク保持台１６の下面にマスク１２を保持する。ウエハ１１とマスク１２とは、ウエハ１１の露光面とマスク１２との間に一定の間隙が形成されるように平行に配置される。ウエハ１１の露光面には、位置合わせ用のウエハマーク１３が形成され、マスク１４の下面（マスク面）には位置合わせ用のマスクマーク１４が形成されている。以下、ウエハマークとマスクマークとを総称してアライメントマークと呼ぶ。
【００２５】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４には、入射光を散乱させるエッジが形成されている。これらのマークに光が入射すると、エッジに当たった入射光は散乱し、その他の領域に当たった入射光は正反射する。ここで、正反射とは、入射光のうちほとんどの成分が、同一の反射方向に反射することをいう。
【００２６】駆動機構１７は、ウエハ保持台１５及びマスク保持台１６を相対的に移動することができる。図の左から右にｘ軸、紙面に垂直な方向に表面から裏面に向かってｙ軸、露光面の法線方向にｚ軸をとると、ウエハ１１とマスク１２は相対的に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向、及びｚ軸の回りの回転方向（θ方向）に移動可能である。
【００２７】光学系２０は、像検出装置２１、レンズ２２、ハーフミラー２３、及び光源２４を含んで構成されている。光学系２０は、その光軸２５が露光面に対して斜めになるように配置されている。光源２４から放射された照明光はハーフミラー２３で反射して光軸２５に沿った光束とされ、レンズ２２を通して露光面に斜入射される。光源２４はレンズ２２の像側の焦点に配置されており、光源２４から放射された照明光はレンズ２２でコリメートされて平行光束になる。なお、光源２４は、照射光の強度を調整することができる。
【００２８】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４のエッジで散乱された散乱光のうちレンズ２２に入射する光は、レンズ２２で収束されて像検出装置２１の受光面上に結像する。このように、光学系２０による照明はテレセン照明とされ、照明光軸と観測光軸は同一光軸とされている。
【００２９】像検出装置２１は、受光面に結像したウエハマーク及びマスクマークの像を光電変換し画像信号に変換する。画像信号は制御装置３０に入力される。制御装置３０は、像検出装置２１から入力された画像信号を処理して、ウエハマーク１３とマスクマーク１４の相対位置を検出する。さらに、ウエハマーク１３とマスクマーク１４が所定の相対位置関係になるように、駆動機構１７に対して制御信号を送出する。駆動機構１７は、この制御信号に基づいて、ウエハ保持台１５もしくはマスク保持台１６を移動させる。
【００３０】図１（Ｂ）は、ウエハマーク１３及びマスクマーク１４の相対位置関係を示す平面図である。四辺がｘ軸もしくはｙ軸に平行に配置された長方形パターンをｘ軸方向に３個配列して、１個のマークが構成されている。なお、後述するように３個以上の長方形パターンを配列してもよい。ウエハマーク１３は一対で構成されており、マスクマーク１４が一対のウエハマーク１３の間に配置されている。
【００３１】図１（Ａ）のウエハマーク１３及びマスクマーク１４は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面を示している。ウエハマーク１３及びマスクマーク１４に入射した照明光は、図１（Ｂ）の各長方形パターンの光軸に向かって突き出したエッジで散乱される。エッジ以外の領域に照射された光は正反射し、レンズ２２には入射しない。従って、像検出装置２１でエッジからの散乱光のみを検出することができる。
【００３２】次に、エッジ散乱光による像の性質について説明する。インコヒーレントな単色光による像の光強度分布Ｉは、
【００３３】
【数１】
と表される。ここで、Ｏ（ｘ，ｙ）は観測物体表面からの反射光の強度分布、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）はレンズの点像強度分布（point spread function ）、積分は観測物体の表面全域における積分を表す。
【００３４】図１（Ｂ）の各長方形パターンの１つのエッジに着目すると、光を反射する微小な点がｙ軸に平行に配列したものと考えることができる。この微小な１点からの反射光強度分布をディラックのデルタ関数δと仮定する。実際に、微小な１点からの散乱光の強度分布はデルタ関数に近似することができるであろう。レンズのアイソプラナティズムが成立する範囲で、エッジがｙ軸方向に延びているとすると、Ｏ（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ）とおくことができる。
【００３５】式（１）は、
【００３６】
【数２】
と変形できる。このＩ（ｘ）はレンズの線像強度分布（line spred function ）であり、
【００３７】
【数３】
Ｉ（ｘ）＝ＬＳＦ（ｘ） …（３）
と書くことができる。ここで、ＬＳＦ（ｘ）はレンズの線像強度分布を表す。
【００３８】照明光が連続スペクトルを有する場合には、
【００３９】
【数４】
と表される。ここで、λは光の波長、ＬＳＦλは波長λの線像強度分布、Δｘλは波長λの光に対するレンズの色収差による線像の横ずれ量、積分は全波長領域における積分を表す。
【００４０】式（４）から、エッジからの散乱光を観測することはレンズの線像強度分布を観測していることと等価になることがわかる。従って、エッジからの散乱光を観測することにより、観測物体からの反射光の面内強度分布に左右されることなく、常に安定した像を得ることができる。
【００４１】図１（Ｃ）の左図は、図１（Ａ）の像検出装置２１の受光面に結像した像の形状を示す。観測光軸を含む入射面と受光面との交線方向をｘ軸、受光面内のｘ軸に直交する方向をｙ軸とすると、１つのエッジによる像はｙ軸に平行な直線状形状になる。従って、各マークの像は、ｙ軸に平行な直線状の像がｘ軸方向に３個配列した形状になる。
【００４２】ウエハマーク１３のエッジ散乱光による一対の像１３Ａの間に、マスクマーク１４のエッジ散乱光による像１４Ａが形成されている。また、観測光軸が露光面に対して斜めであるため、マスクマークの像１４Ａとウエハマークの像１３Ａとは、ｘ軸方向に関して異なる位置に検出される。
【００４３】図１（Ｃ）の右図は、ウエハマークの像１３Ａ及びマスクマークの像１４Ａのｙ軸方向の光強度分布を示す。一方のウエハマークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａとのｙ軸方向の距離をｙ１、他方のウエハマークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａとのｙ軸方向の距離をｙ２とする。ｙ１とｙ２を測定することにより、図１（Ｂ）におけるウエハマーク１３とマスクマーク１４のｙ軸方向の相対位置関係を知ることができる。
【００４４】例えば、マスクマークがｙ軸方向に関して一対のウエハマークの中央にくるように位置決めしたい場合には、ｙ１とｙ２とが等しくなるように、ウエハもしくはマスクのうち一方を他方に対して相対的に移動させればよい。このようにして、図１（Ｂ）におけるｙ軸方向に関して位置合わせすることができる。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すような位置合わせ用のマークと光学系とを３組配置することにより、ｘ軸、ｙ軸及びθ方向に関して位置合わせすることができる。なお、図１（Ａ）では、照明光軸と観測光軸とが同軸である場合を説明したが、必ずしも同軸である必要はない。正反射光が観測光学系の対物レンズに入射せず、散乱光のみが入射する条件であればよい。
【００４５】次に、露光面とマスク面との間隔を測定する方法について説明する。像検出装置２１の受光面に結像している物点は、光学系２０の物空間において光軸に垂直な平面上にある。以下、この平面を「被結像面」とよぶ。
【００４６】ウエハマーク及びマスクマークの各エッジのうち、被結像面上にあるエッジは受光面上に合焦するが、被結像面上にないエッジは合焦せず被結像面から遠ざかるに従ってピントがぼける。従って、各マークのエッジのうち被結像面に最も近い位置にあるエッジの像が最も鮮明になり、そのエッジからｘ軸方向に離れるに従って像がぼける。
【００４７】図１（Ｃ）において、距離ｘ1 は、ウエハマークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａのそれぞれ最もピントが合っている点のｘ軸方向の距離を表す。すなわち、距離ｘ1 は、ウエハマークの合焦点とマスクマークの合焦点とを入射面へ垂直投影した点の距離にほぼ等しい。
【００４８】図１（Ｄ）は、ウエハ面１１及びマスク面１２の被結像面近傍の入射面における断面図を示す。点Ｑ2 はウエハ面１１と被結像面との交線上の点、点Ｑ1 はマスク面１２と被結像面との交線上の点である。線分Ｑ1 Ｑ2 の長さが図１（Ｃ）における距離ｘ1 に対応する。
【００４９】線分Ｑ1 Ｑ2 の長さをＬ（Ｑ1 Ｑ2 ）で表すと、露光面１１とマスク面１２との間隔δは、
【００５０】
【数５】
δ＝Ｌ（Ｑ1 Ｑ2 ）×ｓｉｎ（α） …（５）
と表される。ここで、αはウエハ面１１の法線方向と光軸２５とのなす角である。従って、図１（Ｃ）における距離ｘ1 を測定して線分Ｑ1 Ｑ2 の長さを求めることにより、間隔δを知ることができる。間隔δをより正確に知るためには、距離ｘ1 を正確に測定することが好ましい。このためには、レンズの焦点深度が浅いほうがよい。
【００５１】制御装置３０に、予め距離ｘ1 の目標値を記憶させておき、測定された距離ｘ1 が目標値に近づくように駆動機構１７を制御することにより、ウエハ面１１とマスク面１２との間隔を所望の間隔に設定することができる。
【００５２】次に、ウエハマークからの散乱光を観察した実験結果について説明する。図２（Ａ）は、観察実験に用いたウエハマークの平面図を示す。３本の長方形のパターンが平行に配置されて１つのウエハマークを構成している。長方形パターンの幅は６μｍ、長さは１００μｍである。各長方形パターンは、入射光を散乱させるエッジを有する。以下、この長方形パターンのように、入射光を散乱させるエッジを有するパターンをエッジパターンと呼ぶ。
【００５３】図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、共に図２（Ａ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。図２R>２（Ｂ）に示すウエハにおいては、シリコン基板４０の表面上に、レジストパターン４１（シプレー社製のマイクロポジット２４００）が形成されている。レジストパターン４１の厚さＨ１は１．２μｍ、幅Ｗは６μｍである。
【００５４】中央のエッジパターンの中心線と両側のエッジパターンの中心線との距離を、それぞれｙ３、ｙ４とする。実験に使用したウエハには、ｙ３−ｙ４が０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍ、・・・１８０ｎｍの１０種類のウエハマークが形成されている。以下、ｙ３−ｙ４を中央のエッジパターンの変位量と呼ぶ。なお、各マークともｙ３＋ｙ４は２６μｍである。
【００５５】図２（Ｃ）に示すウエハにおいては、シリコン基板４０の表面上にシリコンの凸部４４が形成されている。凸部４４の高さＨ２は０．５μｍである。シリコン基板４０の表面を覆うように厚さ０．７μｍのフォスフォシリケートガラス（ＰＳＧ）膜４２、厚さ１．４５μｍのレジスト膜４３がこの順番に積層されている。凸部４４の幅及び間隔は図２（Ｂ）に示すそれと同様である。
【００５６】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成されたウエハマークを、図１（Ａ）に示すように斜方から観察したときの像を示す。観察に用いた顕微鏡は、対物レンズの開口数ＮＡが０．４、検出倍率が１００倍のものである。照明光軸の入射面が図２（Ａ）の各エッジパターンの長手方向に平行で、露光面の法線とのなす角が３０°であり、照明光軸と同軸の観測光軸を有する光学系で観察した。図３（Ａ）では、３つのウエハマークに対応する像が観察される。各ウエハマークごとに３つ並んだ長円状の像が現れている。これらは、図２（Ａ）のエッジパターンの短辺からの散乱光による像である。
【００５７】なお、図中、３つ並んだ長円状の像の下方に現れている像は、各マークの下方に形成された通し番号マークからのエッジ散乱光によるものである。ただし、像検出装置で図３（Ａ）の横方向に走査し、３つ並んだ長円状の像に掛かる走査線の画像信号のみを基に位置検出を行えば、下方の像による影響を回避することができる。
【００５８】図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成されたウエハマークを、露光面の法線方向から観察したときの像を示す。図３（Ｂ）には、３つのウエハマークに対応する像が現れている。各マークの下方に形成された数字マークは、ウエハマークの通し番号を示す数字である。
【００５９】図４は、図３（Ａ）の長円状の像に掛かる走査線に対応する画像信号のうち、１つのウエハマークに相当する部分を示す。横軸は露光面上の位置を表し、縦軸は光強度を表す。３つ並んだ長円状の像に対応して３つの矩形状のピークが現れている。このように、エッジ散乱光を検出することにより、エッジ部分に対応してピークを示す画像信号を得ることができる。
【００６０】図３、図４では、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成したウエハマークを観察した場合の像及び画像信号を示したが、図２（Ｃ）に示す積層構造を有するウエハマークについても、同様の像及び画像信号を得ることができた。
【００６１】図５は、画像信号を信号処理して、中央のエッジパターンの変位量ｙ３−ｙ４を測定した結果を示す。図５（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターンで形成したウエハマークの場合、図５（Ｂ）は、図２（Ｃ）に示す積層構造のウエハマークの場合である。横軸は、ウエハマークの通し番号を表す。ここで、通し番号ｎのウエハマークの変位量ｙ３−ｙ４はｎ×２０ｎｍである。縦軸は、観測により求めた変位量ｙ３−ｙ４を単位ｎｍで表す。
【００６２】図中の記号◆は、垂直検出により観測した変位量を示し、記号■は、エッジ散乱光により観測した変位量を示す。エッジ散乱光により観測した変位量は、相似性パターンマッチング（特開平２−９１５０２号公報の第４頁左下欄１４行目〜第７頁左上欄３行目）により求めた。
【００６３】以下に、相似性パターンマッチングによる変位量の測定方法を簡単に説明する。まず、図４に示す画像信号を微分した微分画像信号を得る。この微分画像信号の自己相関関数を計算する。図４の中央のピークと左側のピーク、及び中央のピークと右側のピークが重なるときに自己相関関数が極大値を示す。従って、自己相関関数が極大値をとるときの移動量を求めることにより、距離ｙ３及びｙ４を求めることができる。このようにして求めた距離ｙ３及びｙ４から変位量ｙ３−ｙ４を計算する。
【００６４】距離ｙ３及びｙ４をより正確に求めるためには、ウエハマークに対応する微分画像信号のピークを平行移動したときに、マスクマークに対応する微分画像信号のピークにほぼ重なるように、相似性を保った形状とすることが好ましい。
【００６５】図５（Ａ）に示すように、レジストパターンでウエハマークを形成した場合には、エッジ散乱光を観測して求めた変位量ｙ３−ｙ４が、ウエハマークの通し番号０〜９のすべてについて従来の垂直検出により求めたそれとほぼ等しい。
【００６６】図５（Ｂ）に示すように、シリコンの凸部でウエハマークを形成した場合には、エッジ散乱光を観測して求めた変位量ｙ３−ｙ４が、マークの通し番号０〜９のすべてについて従来の垂直検出により求めたそれよりもやや大きくなった。観測された変位量の増分は、約１３ｎｍであった。１３ｎｍ程度の差は、例えばＸ線露光におけるアライメントで大きな問題になる量ではない。また、後に実施例で説明するようなウエハマーク形状とすることにより、この差は小さくなるであろう。
【００６７】上述の方法では、ウエハマーク及びマスクマークの１つのエッジからの散乱光により位置検出を行っている。マスク製造工程もしくはウエハ製造工程のばらつきにより、各マークのエッジ形状が理想的な形状からずれると、正確な位置検出ができなくなる。次に、ウエハマーク及びマスクマークの形状を、製造工程のばらつきによる影響を受けにくい形状とした第１の実施例について説明する。
【００６８】図６（Ａ）は、本発明の第１の実施例によるアライメントマークの平面図を示す。露光面をｘｙ平面とし、その法線方向をｚ軸とする座標系を考える。一対のウエハマーク５２Ａ及び５２Ｂがｙ軸に沿って配置され、その間にマスクマーク６２が配置されている。なお、後述する他の実施例についても同様の座標系を用いて説明する。
【００６９】ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂは、共に入射光を散乱させるエッジを有する長方形状のパターン（エッジパターン）５１がｘ軸及びｙ軸に沿って格子状に配置された構成とされている。図６（Ａ）では、ｙ軸に沿って３個、ｘ軸に沿って５個のエッジパターン５１が配置されている場合を示している。マスクマーク６２も同様に、エッジパターン６１が格子状に配置された構成とされている。
【００７０】図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ６−Ｂ６における断面図を示す。ウエハ５０の表面上にエッジパターン５１が形成されている。マスク６０の下面にエッジパターン６１が形成されている。
【００７１】図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ６−Ｃ６における断面図を示す。各アライメントマーク内において、ｙ軸方向の長さがＷのエッジパターン５１もしくは６１が、ｙ軸に沿ってピッチＰで配置されている。ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間距離をｙ５、ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２との中心間距離をｙ６とする。
【００７２】図６（Ｄ）は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すアライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面に含まれる斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。横軸はｙ軸方向の位置、縦軸は信号強度を表す。各アライメントマークにおいてｙ軸方向に並んだ３つのエッジパターンは、斜光軸に対して垂直な平面上にある。このため、ｙ軸方向に並んだ３つのエッジパターンが同時に観測光学系の被結像面上に並ぶことができ、各エッジパターンからのエッジ散乱光はいずれも鮮明な像を結ぶ。ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂ、及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ３個のピークが観測される。ピークの幅は、エッジパターンのｙ軸方向の長さＷに等しく、ピーク列のピッチは、エッジパターンのｙ軸方向のピッチＰに等しい。
【００７３】図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す画像信号を微分した微分画像信号の自己相関関数を示す。横軸はｙ軸方向の移動量Δｙを表し、縦軸は相関値を表す。図６R>６（Ｄ）において、ウエハマーク５２Ａに対応するピークをｙ軸の正の向きに平行移動する。ウエハマーク５２Ａの右端のピークがマスクマーク６２の左端のピークに重なったところで相関値が大きくなり、図６（Ｅ）に示すようにピークａ１が現れる。
【００７４】さらにｙ軸の正の向きにピッチＰだけ移動すると、ウエハマーク５２Ａの右端と中央のピークが、それぞれマスクマーク６２の中央と左端のピークに重なる。このとき、画像信号の２つのピークが重なっているため、１つのピークが重なっているときよりも相関値が大きくなり、ピークａ１よりも高いピークａ２が現れる。
【００７５】さらにｙ軸の正の向きにピッチＰだけ移動すると、ウエハマーク５２Ａの３つのピークがマスクマーク６２の３つのピークに重なる。このとき相関値が最大になり、最も高いピークａ３が現れる。さらに移動すると、ピークａ２及びａ１とほぼ同じ高さのピークが順番に現れる。最も高いピークａ３を与える移動量Δｙが、ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間距離ｙ５に相当する。ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２との中心間距離ｙ６も、同様に求めることができる。
【００７６】このように、ｙ軸方向に３つのエッジパターンを配置すると、同時に３つのエッジパターンからのエッジ散乱光を観測することができる。このため、製造工程のばらつき等によって１つのエッジ部分の形状が理想的な形状からずれても、他のエッジ部分のエッジ散乱光も同時に観測しているため高精度に位置検出することができる。なお、ｙ軸方向に沿って配置するエッジパターンの数は３個に限らず、２個以上のパターンを配置することにより、同様の効果を得ることができるであろう。
【００７７】図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すアライメントマークを用いた場合には、図６（Ｅ）に示すように、最大のピークａ３の両側にやや高さの低いピークａ２が現れる。ピークａ２を最大のピークと誤認した場合には、正確な位置検出ができなくなる。この誤認は、ｙ軸に沿って配置されたエッジパターンの数が増加した場合や、画像信号のＳ／Ｎ比が低下した場合に起こりやすくなる。以下、アライメントマークを、ピークの誤認が生じにくい形状とした第２の実施例について説明する。
【００７８】図７（Ａ）は、第２の実施例によるアライメントマークの断面図を示す。なお、アライメントマークの平面配置は図６（Ａ）に示す第１の実施例の場合と同様である。各アライメントマーク５２Ａ、５２Ｂ、及び６２は、ｙ軸に沿って配置された３個のエッジパターンを含んで構成されている。各アライメントマークにおいて、エッジパターンのｙ軸に沿ったエッジの長さは均一ではない。各エッジパターンは、１つのアライメントマークをｙ軸に沿って平行移動して他のアライメントマークに重ね合わせたとき、対応するエッジパターンのエッジの長さが等しくなるように形成されている。
【００７９】図７（Ａ）に示す各アライメントマークの中央のエッジパターンのエッジの長さはＷ２、両側のエッジパターンのエッジの長さはＷ１である。各アライメントマーク内において、エッジパターンのｙ軸方向のピッチはＰである。ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間距離はｙ５、ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２との中心間距離はｙ６である。
【００８０】図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すアライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面内の斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂ、及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ３個のピークが観測される。各アライメントマークの中央のピークの幅はＷ２、両側のピークの幅はＷ１になる。１つのアライメントマーク内において、ピーク列のピッチは、エッジパターンのｙ軸方向のピッチＰに等しい。
【００８１】図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）に示す画像信号を微分した微分画像信号の自己相関関数を示す。図６（Ｅ）の場合と同様に５個のピークが現れている。ピークｂ１はウエハマーク５２Ａの右端のピークとマスクマーク６２の左端のピークが重なったときに対応し、ピークｂ２は、ウエハマーク５２Ａの右端及び中央のピークがそれぞれマスクマーク６２の中央及び左端のピークに重なったときに対応している。ピークｂ３は、ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２の３つのピークがそれぞれ重なったときに対応している。
【００８２】ピークｂ２を示す状態において、相互に重なっている信号強度のピーク幅が異なるため、ピーク幅が等しい場合に比べて相関値が小さい。このため、ピークｂ２の高さは、図６（Ｅ）におけるピークａ２の高さよりも低くなる。最大のピークｂ３とその両側のピークｂ２との高さの比が大きくなるため、最大ピークの誤認が生じにくくなる。
【００８３】なお、図７（Ａ）では、各アライメントマーク内のエッジパターンのエッジの長さを不均一にした場合を示したが、エッジの長さを均一にしエッジパターンのピッチを不均一にしてもよい。また、エッジの長さとピッチの双方を不均一にしてもよい。なお、ミスアライメントの発生を抑制するためには、エッジの長さもしくはピッチの不均一の程度を±１０％以上とすることが好ましい。
【００８４】次に、図８、図９を参照して第３の実施例について説明する。図８（Ａ）は、ウエハマークの１つのエッジパターンの斜視図を示す。図のｘｚ平面内の斜光軸に沿って照明光を斜入射させ、ｙ軸に沿って延在するエッジからの散乱光を観測する。この場合、散乱光による像は、前述の式（４）で示す強度分布になるため、図８（Ｂ）に示すようなレンズの線像強度分布に相当する像が得られる。
【００８５】図８（Ｃ）に示すように、ｙ軸に沿って延在するエッジの長さを短くする。エッジの長さがレンズの解像度よりも短くなると、式（１）における反射光の強度分布Ｏ（ｘ，ｙ）はδ（ｘ，ｙ）とおくことができるであろう。従って、式（１）は、
【００８６】
【数６】
と変形することができる。ここで、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は、レンズの点像強度分布を表す。
【００８７】照明光が連続スペクトルを有する場合には、
【００８８】
【数７】
と表すことができる。ここで、λは光の波長、ＰＳＦλは波長λの点像強度分布、Δｘλは波長λの光に対するレンズの色収差による点像の横ずれ量、積分は全波長領域における積分を表す。
【００８９】このように、エッジの長さをレンズの分解能以下にすることにより、図８（Ｄ）に示すようにレンズの点像強度分布に近似される点像を得ることができる。線像強度分布及び点像強度分布にそれぞれ近似される線像及び点像に含まれる位置検出誤差要因は異なるものと予想される。エッジ散乱光による像をエッジの長さ方向に積分したとき、誤差成分が累積されるような誤差要因は、線像に大きく影響を与えるが点像には大きな影響を与えないと考えられる。逆に誤差成分が打ち消し合うような誤差要因は、点像に大きく影響を与えるが線像には大きな影響を与えないと考えられる。
【００９０】アライメントマークに、線像を結ぶエッジと点像を結ぶエッジとを形成することにより、総合的に位置検出誤差が小さくなるものと考えられる。図９（Ａ）は、第３の実施例によるアライメントマークの断面図を示す。ウエハ５０の表面上にウエハマーク５２Ａ及び５２Ｂが形成されている。マスク６０の下面にマスクマーク６２が形成されている。各アライメントマークは、ｙ軸に沿って配置された５個のエッジパターンを含んで構成されている。５個のエッジパターンのうち両端のものは、ｙ方向に延在するエッジの長さがレンズの解像度よりも短い。
【００９１】図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のアライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面内の斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂ及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ５本のピークが現れている。５本のピークのうち両端のピーク幅は狭く、レンズの点像強度分布に近似できる。この画像信号を微分した微分画像信号を用いて相似性パターンマッチングを行うことにより、点像及び線像の両方を用いて位置検出を行うことができる。
【００９２】上記第１〜第３の実施例では、エッジパターンを入射面の法線方向に沿って配置し、位置検出誤差を低減する方法を説明した。次に、エッジパターンを入射面に平行な方向に配列し、ウエハとマスクとの間隔のばらつきに影響を受けないで位置検出を行う方法を説明する。
【００９３】図１０（Ａ）は、第４の実施例によるウエハマークの平面図を示す。２１個の長方形状のエッジパターン７０がｘ軸に沿って４μｍピッチで配列している。このエッジパターン７０の列がｙ軸方向に３列配置されている。
【００９４】図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のウエハマークをｘｚ面に含まれる入射角３０°の光軸方向から観測する場合の、ウエハマーク及び光学系の概略断面図を示す。ウエハ７１の表面上にエッジパターン７０が形成されている。斜光軸７３に平行な照明光を斜入射し、エッジパターン７０のエッジからの散乱光を観測する。図中の破線７２は観測光学系の被結像面を表している。
【００９５】ウエハ７１が図のｕ１の位置にあるとき、図の左から５番目のエッジパターンが被結像面７２上に位置する。ウエハ７１を光軸７３に沿って平行移動し、ウエハ７１が図のｕ２及びｕ３の位置に来ると、それぞれ図の左から３番目及び左端のエッジパターンが被結像面７２上に位置することになる。
【００９６】エッジパターン７０のｘ軸方向のピッチが４μｍのとき、ウエハ７１を光軸方向に２μｍ移動させれば、被結像面７２上に位置するエッジパターンが１つずれることになる。従って、レンズの焦点深度を１μｍにすれば、常にいずれかのエッジパターンに焦点を合わせることができる。
【００９７】図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示すウエハマークを図１０（Ｂ）に示す方法で観測して、エッジパターンの位置検出を行ったときの検出位置のウエハ位置依存性を示す。横軸は焦点が合っているエッジパターンの通し番号を表し、縦軸は検出値を単位ｎｍで表す。ここで、検出値は、ｙ軸方向に関して中央にあるエッジパターンとその両側にあるそれぞれのエッジパターンとの間隔の相互の差分の半分と定義した。
【００９８】１番目のエッジパターンを観測している状態から２１番目のエッジパターンを観測している状態までの、ウエハの光軸方向の移動距離は４０μｍである。図１０（Ｃ）に示すように、ウエハを４０μｍ移動しても、検出値は−１７ｎｍ〜＋２５ｎｍの範囲に納まる。
【００９９】このように、ウエハを光軸方向に移動させても比較的高精度にエッジパターンの位置を検出することができる。また、検出値のばらつきの主な要因はエッジパターンの形状のばらつきによるものと思われる。従って、第１の実施例で説明したように、エッジパターンをｙ軸方向に複数配置し、複数のエッジパターンを同時に観測して位置検出を行えば、より高精度の位置検出を行うことができるであろう。
【０１００】図１１は、入射面に平行な方向に複数のエッジパターンを配列したウエハマーク及びマスクマークの断面図を示す。図中の破線７２は、観測光学系の被結像面を示す。
【０１０１】ウエハ７１が図のｖ１もしくはｖ２で表される位置にあるとき、いずれかのエッジパターンが被結像面７２上に位置するため、ウエハ７１がｖ１もしくはｖ２のいずれの位置にあっても、ウエハマーク及びマスクマークからの散乱光によるエッジの像を鮮明に検出することができる。また、マスクマークもｘ軸方向に複数のエッジパターンを配列して構成されているため、マスクのｚ軸方向の位置がずれてもマスクマークからの散乱光によるエッジの像を鮮明に検出することができる。なお、いずれかのエッジパターンがレンズの焦点深度内に納まるようにエッジパターン列のピッチを選んでおけば、エッジが丁度被結像面上になくてもエッジの像を鮮明に検出することができる。
【０１０２】従って、ウエハ及びマスクのｚ軸方向の位置が一定の範囲内で変動しても安定して位置検出を行うことができる。また、図１（Ｃ）、（Ｄ）で説明したのと同様の方法で、ウエハとマスクとの間隔を求めることができる。
【０１０３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１０４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、斜方からウエハマーク及びマスクマークを観察して、高精度に位置検出することができる。位置合わせを行った後にウエハを露光する場合、露光範囲に光学系を配置する必要がないため、露光期間中も常時位置検出を行うことができる。このため、高精度な露光が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位置検出装置の概略断面図、図１（Ｂ）は、ウエハマーク及びマスクマークの平面図、図１（Ｃ）は、ウエハマーク及びマスクマークからのエッジ散乱光による像及び像面内の光強度分布を示す図、図１（Ｄ）は、ウエハ面及びマスク面の被結像面近傍の断面図である。
【図２】エッジ散乱光の観測実験に使用したウエハマークの平面図及び断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すウエハマークからのエッジ散乱光による像の写真をスケッチした図、図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すウエハマークを垂直検出した像の写真をスケッチした図である。
【図４】図２（Ｂ）に示すウエハマークからのエッジ散乱光による像の画像信号を示す図である。
【図５】画像信号を信号処理して、変位量を測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６（Ａ）は、第１の実施例によるアライメントマークの平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ６−Ｂ６における断面図、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ６−Ｃ６における断面図、図６（Ｄ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図、図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す画像信号の自己相関関数を示すグラフである。
【図７】図７（Ａ）は、第２の実施例によるアライメントマークの断面図、図７（Ｂ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）に示す画像信号の自己相関関数を示すグラフである。
【図８】図８（Ａ）及び（Ｃ）は、ウエハマークを構成する１つのエッジパターンの斜視図、図８（Ｂ）及び（Ｄ）は、それぞれ図８（Ａ）及び（Ｃ）に示すエッジパターンからのエッジ散乱光による像を表す図である。
【図９】図９（Ａ）は、第３の実施例によるアライメントマークの断面図、図９（Ｂ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、第４の実施例によるウエハマークの平面図、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のウエハマークを斜め方向から観測する場合のウエハマーク及び観測光学系の概略断面図、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示すウエハマークを図１０（Ｂ）に示す方法で観測してエッジパターンの位置検出を行ったときの検出位置のウエハ位置依存性を示すグラフである。
【図１１】第４の実施例によるウエハマーク及びマスクマークの断面図である。
【符号の説明】
１０ ウエハ／マスク保持部
１１ ウエハ
１２ マスク
１３ ウエハマーク
１４ マスクマーク
１５ ウエハ保持台
１６ マスク保持台
１７ 駆動機構
２０ 光学系
２１ 像検出装置
２２ レンズ
２３ ハーフミラー
２４ 光源
２５ 光軸
３０ 制御装置
４０、５０、７１ ウエハ
４１、４４、５２Ａ、５２Ｂ ウエハマーク
４２ ＰＳＧ膜
４３ レジスト膜
５１、６１、７０、７５ エッジパターン
６０、７４ マスク
６２ マスクマーク
７２ 被結像面
７３ 光軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエハと、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用のマスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置する工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を斜入射し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位置を検出する工程とを含み、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されており、前記相対位置を検出する工程が、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されたウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測する工程を含む位置検出方法。
【請求項２】 前記ウエハマークのエッジと前記マスクマークのエッジとは、位置合わせが完了した状態では一方を平行移動して他方に重ねることができるように配置されている請求項１に記載の位置検出方法。
【請求項３】 前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジは、前記ウエハマーク及びマスクマークごとに前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置され、その間隔が均一でない請求項１または２に記載の位置検出方法。
【請求項４】 前記ウエハマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではなく、前記マスクマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではない請求項１〜３のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項５】 前記相対位置を検出する工程は、対物レンズを有する光学系で前記散乱光を観測し、前記ウエハマークのエッジのうち少なくとも１つ、及び前記マスクマークのエッジのうち少なくとも１つは、その長さが前記対物レンズの分解能以下である請求項１〜４のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項６】 前記ウエハマークのエッジ及び前記マスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して平行な方向に複数個配列されている請求項１〜５のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項７】 表面に対して斜めに入射する入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有し、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている半導体基板。
【請求項８】 前記複数のエッジの長さが均一ではない請求項７に記載の半導体基板。
【請求項９】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置されており、その間隔が均一ではない請求項７または８に記載の半導体基板。
【請求項１０】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して平行な方向に沿って複数個配列されている請求項７〜９のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項１１】 表面に対して斜めに入射する入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用マスクマークが形成され、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている露光マスク。
【請求項１２】 前記複数のエッジの長さが均一ではない請求項１１に記載の露光マスク。
【請求項１３】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置されており、その間隔が均一ではない請求項１１または１２に記載の露光マスク。
【請求項１４】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して平行な方向に沿って複数個配列されている請求項１１〜１３のいずれかに記載の露光マスク。
【請求項１５】 前記相対位置を検出する工程が、前記ウエハマーク及びマスクマークのエッジの長手方向に関する相対位置を検出する請求項１〜６のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１】 入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエハと、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用のマスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置する工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を斜入射し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位置を検出する工程とを含み、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されており、前記相対位置を検出する工程が、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されたウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測する工程を含む位置検出方法。
【請求項２】 前記ウエハマークのエッジと前記マスクマークのエッジとは、位置合わせが完了した状態では一方を平行移動して他方に重ねることができるように配置されている請求項１に記載の位置検出方法。
【請求項３】 前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジは、前記ウエハマーク及びマスクマークごとに前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置され、その間隔が均一でない請求項１または２に記載の位置検出方法。
【請求項４】 前記ウエハマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではなく、前記マスクマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではない請求項１〜３のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項５】 前記相対位置を検出する工程は、対物レンズを有する光学系で前記散乱光を観測し、前記ウエハマークのエッジのうち少なくとも１つ、及び前記マスクマークのエッジのうち少なくとも１つは、その長さが前記対物レンズの分解能以下である請求項１〜４のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項６】 前記ウエハマークのエッジ及び前記マスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して平行な方向に複数個配列されている請求項１〜５のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項７】 表面に対して斜めに入射する入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有し、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている半導体基板。
【請求項８】 前記複数のエッジの長さが均一ではない請求項７に記載の半導体基板。
【請求項９】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置されており、その間隔が均一ではない請求項７または８に記載の半導体基板。
【請求項１０】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して平行な方向に沿って複数個配列されている請求項７〜９のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項１１】 表面に対して斜めに入射する入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用マスクマークが形成され、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている露光マスク。
【請求項１２】 前記複数のエッジの長さが均一ではない請求項１１に記載の露光マスク。
【請求項１３】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置されており、その間隔が均一ではない請求項１１または１２に記載の露光マスク。
【請求項１４】 前記エッジが、前記入射光の入射面に対して平行な方向に沿って複数個配列されている請求項１１〜１３のいずれかに記載の露光マスク。
【請求項１５】 前記相対位置を検出する工程が、前記ウエハマーク及びマスクマークのエッジの長手方向に関する相対位置を検出する請求項１〜６のいずれかに記載の位置検出方法。
【図１】
【図２】
【図１１】
【図４】
【図９】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【図１０】
【図２】
【図１１】
【図４】
【図９】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【図１０】
【特許番号】第２９５５６６８号
【登録日】平成１１年（１９９９）７月２３日
【発行日】平成１１年（１９９９）１０月４日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−１２１６５９
【出願日】平成７年（１９９５）５月１９日
【公開番号】特開平８−３１６１２６
【公開日】平成８年（１９９６）１１月２９日
【審査請求日】平成９年（１９９７）２月６日
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【参考文献】
【文献】特開 平３−２９１５０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平３−１７７０１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平２−９１５０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−２１６２３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭５８−１１６５４１（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１１年（１９９９）７月２３日
【発行日】平成１１年（１９９９）１０月４日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）５月１９日
【公開番号】特開平８−３１６１２６
【公開日】平成８年（１９９６）１１月２９日
【審査請求日】平成９年（１９９７）２月６日
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【参考文献】
【文献】特開 平３−２９１５０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平３−１７７０１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平２−９１５０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−２１６２３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭５８−１１６５４１（ＪＰ，Ａ）
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