(57)【要約】【課題】ウエハとマスクとの新規なアライメント方法を提供する。【解決手段】近接したマスクとウエハとのアライメント方法は、（ａ）マスクとウエハとを近接配置し、照明光を照射し、マスク及びウエハ上に形成され、列方向、行方向に規則的に配列した散乱光を生じるマスクマークとウエハマークからエッジ散乱光を受光して、マルチスポット像を得る工程と、（ｂ）マルチスポット像から、マスクマークからのマルチスポット像をサンプリングし，マスクの基準位置を求める工程と、（ｃ）マルチスポット像から、ウエハマークからのマルチスポット像をサンプリングし，ウエハの基準位置を求める工程と、（ｄ）マスクの基準位置とウエハの基準位置から両者の位置ずれを検出する工程と、を有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）エッジを有する複数の単位パターンを第１の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を前記第１の配列方向と交差する第２の配列方向に配列したアライメント用マスクマークを有するマスクと、エッジを有する複数の単位パターンを第３の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を第３の配列方向と交差する第４の配列方向に配列したアライメント用ウエハマークを有するウエハとを近接配置し、照明光を照射し、前記マスクマークと前記ウエハマークからエッジ散乱光を受光して、対応するマルチ画像を得る工程と、
（ｂ）前記マルチ画像から、マスクマークからのマルチ画像をサンプリングし，マスクの基準位置を求める工程と、
（ｃ）前記マルチ画像から、ウエハマークからのマルチ画像をサンプリングし，ウエハの基準位置を求める工程と、
（ｄ）マスクの基準位置とウエハの基準位置から両者の位置ずれを検出する工程と、
を有する近接したマスクとウエハとのアライメント方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）が、マスクマークからのマルチ画像とウエハマークからのマルチ画像とを同一画面内に上下に配置して得る請求項１記載の近接したマスクとウエハとのアライメント方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）、（ｃ）の少なくとも一方が、マルチ画像の各単位配列の像強度を積分することを含む請求項１または２記載の近接したマスクとウエハとのアライメント方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）、（ｃ）の少なくとも一方が、マルチ画像の積分された強度分布の基準位置を算出することを含む請求項３記載の近接したマスクとウエハとのアライメント方法。
【請求項５】
前記マスクマークと前記ウエハマークとが同一のパターンである請求項１〜４のいずれか１項記載の近接したマスクとウエハとのアライメント方法。
【請求項６】
マスク上に形成され、エッジを有する複数の単位パターンを第１の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を前記第１の配列方向と交差する第２の配列方向に配列したアライメント用マスクマークと、
ウエハ上に形成され、エッジを有する複数の単位パターンを第３の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を第３の配列方向と交差する第４の配列方向に配列したアライメント用ウエハマークと、
の組合せであって，前記マスク上のマスクマークと前記ウエハ上のウエハマークとが、前記第２の配列方向を第４の配列方向と揃えた時，同一領域に配置されているアライメントマーク。
【請求項７】
前記マスクマークと前記ウエハマークとが、前記第２の配列方向を第４の配列方向と揃えた時、同一の位置に配置されている請求項６記載のアライメントマーク。
【請求項８】
前記マスクマークと前記ウエハマークとが、同一の形状を有する請求項６または７記載のアライメントマーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はマスクとウエハとの位置合わせ（アライメント）に関し、特に近接配置したマスクとウエハとの位置合わせ（アライメント）に関する。
【０００２】
【従来の技術】マスクとウエハとを位置合わせ（アライメント）するには，マスクの上にマスクマーク，ウエハの上にウエハマークを形成し、露光時に両マークを所定の関係に調整する種々の技術が知られている。
【０００３】
近接露光の場合，マスクとウエハとはその主面を対向し、近接して配置される。マスク上のアライメント用マスクマークとウエハ上のアライメント用ウエハマークとは、ウエハ（マスク）の法線方向に関して近接して配置される。ウエハの法線に対して傾いた斜め方向から光学的に両マークを同時にモニターすることができる。
【０００４】
本発明者は，多数のエッジを有するマークからエッジ散乱光を生じさせ、鏡面反射方向以外の方向からエッジ散乱光を観察し、アライメントを行う方法を提案した（特開平８−３１６１２６、特開平９−２７４４９、特開平１１−９４５２２等の各実施例の欄参照）。
【０００５】
以下，図４（Ａ）、（Ｂ）、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照してエッジ散乱光によるアライメントを説明する。
【０００６】
図４（Ａ）は、アライメント装置の概略断面図を示す。アライメント装置は、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。
【０００７】
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、駆動機構１７及び１８を含んで構成されている。アライメント時には、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のウエハ側の面（マスク面）との間に一定の間隙が形成されるように、ほぼ平行に配置される。ウエハ１１の露光面には、アライメント用のウエハマークが形成され、マスク１２のマスク面にはアライメント用のマスクマークが形成されている。
【０００８】
駆動機構１７は、ウエハ１１とマスク１２との露光面内に関する相対位置が変化するように、ウエハ保持台１５もしくはマスク保持台１６を移動させることができる。駆動機構１８は、ウエハ１１の露光面と、マスク１２のマスク面との間隙が変化するように、ウエハ保持台１５を移動させることができる。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ってＹ軸、露光面の法線方向にＺ軸を取ると、駆動機構１７は、ウエハ１１とマスク１２の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸の回りの回転方向（θＺ方向）に関する相対位置を調整し、駆動機構１８は、Ｚ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸の回りの回転（あおり）方向（θｘ及びθＹ方向）の相対位置を調整する。
【０００９】
光学系２０は、像検出装置２１Ａ、２１Ｂ、レンズ２３，２８、ハーフミラー２３、２６Ａ、光ファイバ２４、ミラー２６Ｂを含んで構成される。光学系２０の光軸２５はＸＺ面に平行であり、かつ露光面に対して斜めになるように配置されている。
【００１０】
光ファイバ２４から放射された白色照明光は、ハーフミラー２３で反射して光軸２５に沿った光線束とされ、レンズ２２を通して露光面に斜入射される。レンズ２２を透過した照明光は平行光線束になる。
【００１１】
ウエハ１１及びマスク１２に設けられたウエハマーク及びマスクマークが散乱光を発生させる多数のエッジを有するので、照明光はこれらのエッジで散乱される。散乱光の内レンズ２２に入射する光はレンズ２２で集束され、ハーフミラー２３と２６Ａを通過して像検出装置２１Ａの受光面２９Ａ上に結像する。受光面２９Ａ上への結像倍率は、例えば２０倍である。散乱光の内ハーフミラー２６Ａで反射した光は、ミラー２６Ｂで反射し、リレーレンズ２８で集束されて像検出装置２１Ｂの受光面２９Ｂ上に結像する。受光面２９Ｂ上への結像倍率は、例えば８０〜１００倍である。このように、倍率の異なる２つの観察光学系が配置されているが、その一方は省略してもよい。
【００１２】
像検出装置２１Ａ、２１Ｂは、例えばＣＣＤ型固体撮像装置で構成され、受光面には画素（ピクセル）が行列状に配置されている。各画素（ピクセル）は、当該画素（ピクセル）に照射された光の強度に応じてピクセル対応の画像信号を生成する。この画像信号は制御装置３０に入力される。
【００１３】
制御装置３０は、好ましくは基準パターン記憶手段３１に記憶されている基準パターンを参照し、像検出装置２１Ａ及び２１Ｂから入力された画像信号を処理してウエハ１１とマスク１２とのＹ軸方向に関する相対位置を検出する。相対位置の検出方法は追って詳述する。さらに、ウエハ１１とマスク１２が所定の相対位置関係になるように、駆動機構１７及び１８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マスク保持台１６をＸＹ面内で平行移動させ、Ｚ軸の回りの回転させる。駆動機構１８は、この制御信号に基づいてウエハ保持台１５をＺ軸方向に平行移動させ、Ｘ軸とＹ軸の周りに微小回転させる。
【００１４】
ＸＺ面に平行な斜め光軸を有する２つの光学系と、ＹＺ面に平行な斜め光軸を有する１つの光学系を配置することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びθＺ方向に関する相対位置を検出することができる。アライメントを行った後、Ｘ線、または電子線４０をウエハ法線方向に沿って、マスクを介してウエハ上に照射することにより、マスク上のパターンをウエハ上のレジスト層に転写する。
【００１５】
図４（Ｂ）は、ウエハマークＷＭとマスクマークＭＭとを重ねて投射した概略平面図である。２つのウエハマークＷＭの間の間隙領域にマスクマークＭＭが配置されている。２つのウエハマークＷＭのピッチはＡである。
【００１６】
図５（Ａ）、（Ｂ）は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すアライメント装置及びアライメント用マークを用いてウエハとマスクとの相対位置を調整する方法を説明するための像検出装置の画面の写真及びグラフである。
【００１７】
図５（Ａ）は、像検出装置２１Ａ又は２１Ｂで検出した画像を示す。画面中上側にある２組のマルチスポット像は、ウエハマークからのエッジ散乱光を示す。画面中下側ある１組のマルチスポット像は、マスクマークからのエッジ散乱光を示す。それぞれのマルチスポット像は、上下方向中央で明るく、上下に向うと次第に弱くなり、ぼやけている。なお、エッジの長さを長くするとスポット像はライン像に変化する。本明細書では、マルチスポット像とマルチライン像とを含め、マルチ画像と呼ぶ。すなわち、マルチ画像は、マルチスポット像とマルチライン像とを含む概念である。
【００１８】
画面中実線で囲んだ像が明瞭な部分をサンプリングする。サンプリングした３つのマルチ画像毎に、画面の縦軸方向に累算し、累算値（１次元データ列）を求める。同一ピクセル番号の縦軸方向に並んだマルチ画像の画像強度が累算される。得た３つの累算値（１次元データ列）を合成する。
【００１９】
図５（Ｂ）は、このようにして求めた画像強度の横軸方向のピクセル番号に対する関係を示すグラフである。横軸がピクセル番号を示し、縦軸が画像強度の累算値を示す。２つのウエハマークからの画像信号がそれぞれ３本のピークとなっている。この３本のピークの対応するピーク間の距離はそれぞれピッチＡである。両側の２つのウエハマークの間の領域に、マスクマークからの散乱光に基づく画像信号が現れている。
【００２０】
各ウエハマークからの画像信号の強度分布と、マスクマークからの画像信号の強度分布とからウエハとマスクとの位置を求める。たとえば、各ウエハマークからの画像信号の強度分布と、マスクマークからの画像信号の強度分布との間で相関演算を行ない、相対位置を検出する。相関演算は、相対位相を決めて対応する画素間の減算を行い、差の累算値を求める。位相を徐々に変化させ同様の累算値を求める。位相に対する累算値の変化を求め、最小値を補間して算出する。
【００２１】
半導体集積回路装置は、ますます集積度が向上し、配線は多層化されている。高集積度の半導体装置を製造するためには、多数のマスクが必要とされる。マスク枚数が増加すると、ウエハのスクライブ領域に配置されるウエハマークの数も増加する。アライメント用マークを配置する占有面積が制限されるようになる。限られた面積内に多くのアライメントマークを配置できるような新たな技術が要望される。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ウエハとマスクとの新規なアライメント方法を提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、ウエハマークの占有面積を減少させることのできるアライメント方法及びアライメントマークを提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、（ａ）エッジを有する複数の単位パターンを第１の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を前記第１の配列方向と交差する第２の配列方向に配列したアライメント用マスクマークを有するマスクと、エッジを有する複数の単位パターンを第３の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を第３の配列方向と交差する第４の配列方向に配列したアライメント用ウエハマークを有するウエハとを近接配置し、照明光を照射し、前記マスクマークと前記ウエハマークからエッジ散乱光を受光して、対応するマルチ画像を得る工程と、（ｂ）前記マルチ画像から、マスクマークからのマルチ画像をサンプリングし，マスクの基準位置を求める工程と、（ｃ）前記マルチ画像から、ウエハマークからのマルチ画像をサンプリングし，ウエハの基準位置を求める工程と、
（ｄ）マスクの基準位置とウエハの基準位置から両者の位置ずれを検出する工程と、を有する近接したマスクとウエハとのアライメント方法が提供される。
【００２５】
本発明の他の観点によれば、マスク上に形成され、エッジを有する複数の単位パターンを第１の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を前記第１の配列方向と交差する第２の配列方向に配列したアライメント用マスクマークと、
ウエハ上に形成され、エッジを有する複数の単位パターンを第３の配列方向に並べて単位配列とし、複数の単位配列を第３の配列方向と交差する第４の配列方向に配列したアライメント用ウエハマークと、の組合せであって，前記マスク上のマスクマークと前記ウエハ上のウエハマークとが、前記第２の配列方向を第４の配列方向と揃えた時，同一領域に配置されているアライメントマークが提供される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例によるアライメント方法を説明するための像検出装置の画面の写真及びグラフである。アライメント装置としては図４（Ａ）に示すものを用い、ウエハ上のウエハマークＷＭとマスク上のマスクマークＭＭとしては図４（Ｂ）に示すものを用いる。制御装置３０内での処理が従来例と異なる。
【００２７】
先ず、図４（Ａ）に示すように、マスク面を下にしてマスク１２をマスク保持台１６に保持し、レジスト層を形成した露光面を上にしてウエハ１１をウエハ保持台１５の上に配置する。粗い位置合わせを行った後、像検出装置２１Ａ又は２１Ｂで検出したアライメント用マークの画像が図３（Ａ）に示すものとなる。画像自身は、図５（Ａ）に示すものと同様である。図３（Ａ）においては、マルチスポット画像が得られているが、エッジの長さを長くすればマルチライン画像が得られる。いずれにしてもマルチ画像が得られる。
【００２８】
ここで、画面中上方に観察される２組のウエハマークからのマルチ画像と、画面中下方に観察されるマスクからのマスクマークのマルチ画像とをそれぞれ別箇に、実線で示すようにサンプリングする。なお、図５（Ａ）で示すように、有効画像のない領域を除外して、サンプリング領域を横方向にも制限してもよい。その後、画像合成は行わない。上方の実線で囲んだウエハからのウエハマークのマルチ画像を画面縦方向に累算し、累算値を求める。
【００２９】
図３（Ｂ）は、ウエハマークからの散乱光のマルチ画像の累算値のピクセル番号に対する関係を示すグラフである。横軸がピクセル番号を示し、縦軸が累算値を示す。それぞれ３本のピークからなるアライメントマークからの検出信号が２組離れて形成されている。この画像信号から、ウエハマークの基準位置を求める。
【００３０】
基準位置は、例えば各ピーク位置の平均値であっても良く、ピーク強度分布の重心位置であってもよい。ピーク位置を求める場合は、各ピークの波形を解析してピーク位置を求める。複数のピーク位置から、それらの平均値を求める。
【００３１】
強度分布の重心位置を求める場合は、例えば、各ピークの面積と重心を算出し、ピークの重心位置に面積を重み付けし、重み付けされたピークの重心位置から平均位置を求める。その他、図に示すようなスペクトルの位置を代表するような基準位置であればどのような算出方法でどのような基準位置を用いてもよい。Ｘ０は、このようにして求めたウエハの基準位置を示す。
【００３２】
図３（Ｃ）は、図３（Ａ）下方に示すマスクマークからのマルチ画像に基づき、ウエハマークからの散乱光同様の累算を行った結果の散乱光の強度分布を示す。横軸がピクセル番号を示し、縦軸が累算値を示す。マスクマークからの３本のピークに対しても、ウエハマークからのピークに対する演算同様の演算処理を行い、マスクマークの基準位置を求める。Ｘ１がマスクマークの基準位置を示す。
【００３３】
このようにして求めたウエハマークの基準位置Ｘ０と、マスクマークの基準位置Ｘ１との差を求め、駆動機構１７を駆動してウエハとマスクとの相対位置を調整して、アライメントを行う。
【００３４】
このアライメント方法によれば、２組のウエハマーク間の間隙領域にマスクマークを入れ込む必要はなくなる。従って、ウエハマークを近接して配置することも可能となる。
【００３５】
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の改善した実施例によるアライメント方法を説明するための概略平面図、像検出装置の画面、グラフである。
【００３６】
図１（Ａ）は、ウエハマークＷＭとマスクマークＭＭとを重ねて表示した概略平面図である。ウエハマークＷＭ、マスクマークＭＭは、それぞれ２組のマークで構成されている。
【００３７】
１組のマークは、複数の単位パターンを縦方向に並べた単位配列を横方向に３列並べたパターン配列で構成されている。単位配列内の単位パターン数、横方向に配列する単位配列の列数は、任意に増減してよい。単位パターンの並べ方は、縦方向、横方向夫々一定のピッチで規則的に配列してもよく、一定のピッチは有さない配列としてもよい。例えば縦方向に２ミクロンと２．５ミクロンのピッチを交互にしてもよい。横方向に異なる間隔で配置してもよい。
【００３８】
図１（Ａ）において、２組のパターンは同一であり、ピッチＢで配置されている。ウエハマーク間にマスクマークを取り入れる必要が無く、ピッチＢは従来例と較べ減少することができる。
【００３９】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すようなアライメントマークを用い、図４（Ａ）に示すアライメント装置の像検出装置２１Ａ、又は２１Ｂで求めた画像を示す。図中上側にウエハマークからのマルチ画像が示され、図中下方にマスクマークからのマルチ画像が示されている。
【００４０】
これらのマルチ画像から、実線で示すように２つの横方向のストライプをサンプリングする。サンプリング後、画像合成は行わないので、図に示すように同一領域にウエハマークからのマルチ画像とマスクマークからのマルチ画像が配置されていても構わない。有効画像のない領域を除外し、横方向にもサンプリング領域を制限してもよい。
【００４１】
図１（Ｃ）は、ウエハマークＷＭからのマルチ画像を列方向に累算した累算値のピクセル番号に対する関係を示すグラフである。それぞれ３本のピークからなるウエハマークからの散乱光の強度分布が、ピッチＢで配列されている。これらの強度分布から、図３に示した実施例同様ウエハマークの基準位置Ｘ０を求める。
【００４２】
図１（Ｄ）は、マスクマークからのマルチ画像をサンプリングし、列方向に累算した結果を示すグラフである。横軸にピクセル番号を示し、縦軸に累算値を示す。ウエハマークからの画像信号同様、マスクマークからのマルチ画像信号の累算値はそれぞれ３本のピークからなる２組の強度分布となっている。これらの強度分布から、ウエハマークの場合同様に、マスクマークの基準位置Ｘ１を求める。
【００４３】
マスクマークもウエハマークと同等な２組のアライメントマークとしたためマスクマークの基準位置の精度が向上する。ウエハの基準位置Ｘ０と、マスクの基準位置Ｘ１との差を求め、図４（Ａ）に示す駆動機構１７を制御してウエハ１１とマスク１２の面内位置を調整して、アライメントを行う。
【００４４】
本実施例において、マーク間のピッチＢを、２８μｍに設定し、従来ウエハマークのピッチを５６μｍとしていた場合に劣らぬ精度が得られた。なお、図１（Ｂ）に示す画像から明らかなように、アライメントマークをさらに接近させることも可能である。
【００４５】
図２は、アライメントマークのピッチをさらに減少させ、１８μｍとした場合を示す。図２（Ａ）はウエハマークＷＭとマスクマークＭＭを重ねて投射した平面図を示す。ウエハマークＷＭ、マスクマークＭＭの各マークは、図１（Ａ）に示したマークと同様であるが、マーク間のピッチＣが図１（Ａ）に示したピッチＢ＝２８μｍからさらに減少され、１８μｍとされている。２組のマーク間の間隔は、各１組のマーク内の列間の間隔よりは広く設定され、マークの集合を容易に判別できるようにしてある。
【００４６】
図２（Ｂ）は、像検出装置で検出した画像例を示す。図１（Ｂ）同様、画面上側にウエハマークＷＭからのマルチ画像が示され、画面下側にマスクマークＭＭからのマルチ画像が示されている。実線で示すように、ウエハマークＷＭからのマルチ画像、マスクマークＭＭからのマルチ画像の中心部をそれぞれサンプリングし、図１に示した実施例同様の画像処理を行なう。
【００４７】
図２（Ｃ）は、ウエハマークＷＭからのサンプリング画像を列方向に累算した結果を示すグラフである。
【００４８】
図２（Ｄ）は、マスクマークＭＭからのサンプリング画像を列方向に累算した累算値を示すグラフである。
【００４９】
図２（Ｃ）、（Ｄ）において、横軸はピクセル番号を示し、縦軸は累算値を示す。ウエハマークの散乱光画像信号の累算値から、ウエハマークの基準位置Ｘ０を求め、マスクマークの散乱光画像信号の累算値からマスクマークの基準位置Ｘ１を求める。基準位置Ｘ０とＸ１との差を求め、ウエハ位置を調整し、アライメントを行う。
【００５０】
このように、上述の実施例によれば、ウエハマークを配置する時の自由度が向上し、より狭い面積にウエハマークを配置することができる。同一の面積を使用する場合には、より多数のマークを配置することができ、アライメント精度を向上できる。
【００５１】
なお、２組のアラインメントマークが同一パターンの場合を説明したが、対称パターンとしてもよい。対称関係にある２列毎の基準位置を求め、複数の基準位置から全体の基準位置を求めてもよい。有効な信号強度のない領域は、サンプリング領域から外してもよい。
【００５２】
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、組合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、新規なマスクとウエハとのアライメント方法が得られる。
【００５４】
ウエハマークの配置の自由度が向上し、より狭い面積にウエハマークを配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるアライメント方法を説明するための平面図、写真及びグラフである。
【図２】本発明の実施例によるアライメント方法を説明するための平面図、写真及びグラフである。
【図３】本発明の他の実施例を説明するための画面の写真、及びグラフである。
【図４】アライメント装置の構成を概略的に示す断面図及びウエハマークＷＭとマスクマークＭＭとの平面図である。
【図５】従来技術によるアライメント方法を説明するための画面の写真及びグラフである。
【符号の説明】
ＷＭ　ウエハマーク
ＭＭ　マスクマーク
１１　ウエハ
１２　マスク
１５　ウエハ保持台
１６　マスク保持台
１７、１８　駆動機構
２１Ａ、２１Ｂ　像検出装置
２２　レンズ
２３、２６Ａ　ハーフミラー
２４　光ファイバ
２６Ｂ　ミラー
【図１】
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【図２】
2004055601.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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