(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出物体上に形成された位置検出用マークを所定の入射角度の照明光で照明する照明手段と、前記照明手段により照明された該位置検出用マークの像を所定面上に形成する結像手段と、該像の位置を検出することにより該位置検出用マークの位置情報を得る検出手段とを有する位置検出装置において、前記照明手段の瞳面又はその近傍に配置され、前記照明光の前記瞳面における強度分布を回転可能な回転手段を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記検出手段は前記位置検出用マークの像を光電検出する受光素子を有し、前記回転手段は該受光素子からの光電検出信号の波形が前記位置検出用マークの中心に対して対称となる様に前記瞳面における照明光の強度分布を回転させることを特徴とする請求項１の位置検出装置。
【請求項３】
前記強度分布回転手段は前記瞳面における照明光の強度分布を時間的に回転させて、前記光電検出信号の波形が時間的に対称となるようにしたことを特徴とする請求項２の位置検出装置。
【請求項４】
前記結像手段の瞳面を観察する観察光学系を有し、該瞳面における該位置検出用マークの計測断面方向で、瞳面の光強度分布を均一にしていることを特徴とする請求項１の位置検出装置。
【請求項５】
前記位置検出物体面の共役面ないしは、その近傍に配置した音響光学素子を有することを特徴とする請求項１の位置検出装置。
【請求項６】
前記回転手段はイメージローテータを有していることを特徴とする請求項１の位置検出装置。
【請求項７】
レチクルとウエハとの相対位置合わせをした後にレチクル面上のパターンをウエハ面上に投影した後に該ウエハを現像処理工程を介して半導体デバイスを製造する際、該ウエハ面上に形成した位置検出用マークの位置情報を請求項１乃至６のいずれか1項に記載の位置検出装置を用いて検出し、該位置情報を用いて該ウエハの位置合わせを行っていることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法に関し、特にＩＣ，ＬＳＩ，液晶パネル，ＣＣＤ等の半導体デバイスの製造用の露光装置において、マスクパターンとウエハ上の回路パターンの位置合わせで使用される位置合わせ用のマーク（位置検出用マーク）の位置情報を画像処理を用いて検出する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造技術の進展は近年益々速度を増しており、それに伴って微細加工技術の進展も著しいものがある。特にその中心をなす光加工技術は１ＭＤＲＡＭを境にサブミクロンの領域に達している。投影解像力を向上させる一手段としてこれまでは、波長を固定して、光学系のＮＡを大きくしていた。
【０００３】
一方、最近では露光波長をｇ線からより短い波長のｉ線に変えて、かつ所謂位相シフトマスク，変形照明等により、超高圧水銀灯の領域で光露光の限界を広げようという試みも行われている。
【０００４】
更にｉ線より波長の短いエキシマレーザ発振光を光源とした半導体デバイス製造用の露光装置も製造され、ＩＣパターンの微細化を行っている。
【０００５】
一方、それに伴って、露光装置におけるウエハとマスクの相対位置合わせ、いわゆるアライメントの精度に関しても、解像力の向上と共に、高精度化が必要とされている。
【０００６】
図３はマスクとウエハの位置合わせを行う位置検出装置を有した露光装置の要部概略図である。同図においては、ウエハ１面上の位置合わせ用マーク１８の画像を取り込み、位置合わせを行なう場合を示している。
【０００７】
次にこの位置検出装置においてｘ方向及びｙ方向の計測は同様なので、この中ではｙ方向の計測について解説する。Ｈｅ−Ｎｅレーザー等の光源Ｓから出射した照明光（検出光）１３はファイバー１１を通して照明光学系６に導かれる。照明光１３は偏光ビームスプリッタ９によりＳ偏光成分（ｙ方向成分）だけが反射される。
【０００８】
その後、λ／４板１７を透過して、円偏光に変換された後、結像光学系４，５，ミラー１０，投影光学系３を通して、ｘｙｚ方向に駆動可能なステージ２上に載置したウエハ１上に作成された位置検出用のマーク１８をケーラー照明する。マーク１８からの反射光、或は散乱光２２は該投影光学系３，ミラー１０，結像光学系４，５を通過した後、再びλ／４板１７を経てＰ偏光に変換される。Ｐ偏光は該偏光ビームスプリッタ９を通過し、結像レンズ７によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子１２上に入射し、その面上にマーク像を結像する。該マーク像の位置情報よりウエハ１上のパターン位置を検出して、ステージ２を駆動してウエハ１の位置合わせを行なう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３の位置検出装置には検出精度の低下を招くいくつかの問題点が存在していた。ケーラー照明に於て、照明系を理論的なσ＝０（像面で完全な単一の平面波となる光源）で使用するのは、光量や結像性能に於ける空間周波数のカットオフ周波数の問題等があり、実用化するのは難しい。従って有限の大きさを持った光源を用いなければならない。
【００１０】
例えば、実際にはレーザー光源からの光をファイバーで照明系に導光したり、ランプからの光等が用いられている。従って、このような光源に於ては、検出面（ウエハ１面）で光軸に対してある角度をもった光も照明される。この時、その有効光源の光強度分布が不均一の場合、或は、マーク計測方向（図３の場合はｙ方向）に於て光軸に対称でない場合、検出面に対する入射角の違いによって、光強度が異なってくる。
【００１１】
例えば、図４（Ａ）には、ｙ方向計測のマークの鳥瞰図、同図（Ｂ）はｘ方向から見た断面を示している。光源の発光有限領域で光強度に不均一がある場合、例えば、矢印１３ａの方向から入射する照明光の強度が、矢印１３ｂから入射する照明光の強度より弱いと云う具合に、入射角に依存して光強度に変化が生じる場合がある。
【００１２】
このように偏った照明系で段差構造を持ったマーク１８を照明し、マーク１８の位置を検出する場合、検出像の散乱光強度に差が発生する為、正確な位置検出が出来ないと云った問題点がある。
【００１３】
例えば図４（Ｂ）の様に、照明光１３ａより照明光１３ｂの方が光強度が強いものとすると、マーク１８のエッヂからの散乱光に差が発生する。その為、マーク像の画像信号が図４（ｃ）の様にマーク中心３０に対して非対称になる。
【００１４】
この結果、正確なマーク位置の検出はできなくなってくる。実際のこのような信号の非対称性は、理想的なマーク段差のエッヂの散乱特性が入射光の強度に比例する場合や、反比例する場合とがあり、それはマークの段差構造の違いや、レジスト等の半導体デバイスの製造工程の違いによって異なってくる。何れにせよ、測定方向に対するある入射角に於ける照明光の強度に非対称性があるとマークの位置計測に誤差が発生してくる。
【００１５】
従来、この様な検出誤差を解決する為に、照明系の瞳面や像面に拡散板等のフィルタを配置し計測方向のみならず、すべての方向に渡ってほぼ、光強度が均一となるようにしていた。ところが、この拡散板等のフィルタを用いると、光強度の均一度に反比例して、物体面での全光量が減少してくる。その為、半導体デバイスの製造工程によっては検出が困難となる場合が発生してくる。
【００１６】
本発明は、位置合わせ用マークを検出する検出系を適切に構成することにより検出光量の減少を少なくし、瞳面の光量分布の均一化を容易に図ることが出来、位置検出用マークの位置情報を高精度に検出し、マスクとウエハとの位置合わせを高精度に行い、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することのできる位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の位置検出装置は、
位置検出物体上に形成された位置検出用マークを所定の入射角度の照明光で照明する照明手段と、前記照明手段により照明された該位置検出用マークの像を所定面上に形成する結像手段と、該像の位置を検出することにより該位置検出用マークの位置情報を得る検出手段とを有する位置検出装置において、前記照明手段の瞳面又はその近傍に配置され、前記照明光の前記瞳面における強度分布を回転可能な回転手段を有することをことを特徴としている。
【００２６】
【実施例】
図１は本発明の実施例１の要部概略図、図２は図１の一部分の拡大説明図である。図１，図２では、レチクル面上のパターンをウエハ面上に投影しているか、このときのレチクルは省略しており、ウエハ１上に作成されたアライメントマーク（位置検出用マーク又はマークとも言う。）１８に、理想的な照明光（検出光）１９ａが照明されている場合を示している。
【００２７】
ここで理想的とは、点光源から出射した光が理想的なマークの段差構造に対して垂直に照明されている場合であり、マークの像は正確なエッヂ情報を持っている。ところが、有限領域の発光面から出射した光は、検出面（マーク１８の形成面）に対して傾いた光束（１９ｂ，１９ｃ）を含んでおり、更にその光強度が計測断面内の入射角度に依存して光軸に非対称の場合（以下この状態を、『光強度の非対称性な状態』と呼ぶ。）、マークの偏った情報が像として現われ、測定精度の低下を引き起こす。
【００２８】
入射角度に対する光強度の非対称性は、位置検出用マークの位置情報を検出する位置検出系（検出系）の瞳面（像のフーリエ変換面）での光強度分布の不均一性に依存する。従って、瞳面の光強度分布を光軸に対して計測方向面内に対称になる様に変化させて、この測定誤差を軽減している。
【００２９】
一般にある光源からの光をファイバーを使用して照明光学系に導いている場合、ファイバー断面の定在モードの影響や、バンドルファイバー等を使用すると、個々のファイバー端面の配向特性の相違等によって光強度分布に不均一が発生する。また光源に半導体レーザー（ＬＤ）を直接使用した場合、出射端面の光強度プロファイルに不均一が存在している為、同様の精度劣化が生じる。
【００３０】
本実施例ではこれらを解決している。即ち、本実施例では光源の発光有限領域における光強度分布を均一にしている。或は図６に示すマーク１８への照明光３１ａと照明光３１ｂの様に、検出方向に於て照明光の光強度が光軸に対称になる光源を作っている。
【００３１】
これは、光源と共役面となる瞳面（像のフーリエ変換面）３ａに於ける光強度分布を制御して、計測方向に於て光軸に対称になる様にしている。（像面での照明光の角度特性は瞳面の光強度分布に対応する為である。）実際には瞳面の光強度分布を計測方向に軸対称になる様、瞳面を観察しながら例えば瞳面の光強度分布を回転させ、適正な回転位置を制御し、画像取り込み時間に対して十分速く照明光の入射角度を一回スキャン或は複数回スキャンさせている。つまり検出画像を時間積分した時に光軸に対して照明強度が対称になる様にしている。
【００３２】
図７に照明光位置を検出用マーク１８上で入射角をスキャンした時の概略図を示す。図７（Ａ）はマーク断面に、ある瞬間において矢印３２ａの方向から照明した光束を示し、同図（Ｂ）はこの時の検出信号を示している。それに対して図７（Ｃ）ではそれからある時間経った後、検出光３２ｂで照明しているものを示し、図７（Ｄ）はその検出波形を表わしている。また図７（Ｅ）では、図７（Ｂ）から図７（Ｄ）までの状態を時間積分したマーク画像信号を示している。このように照明光の入射角をウエハ面の垂直方向を含む計測方向面内に、画像取り込み時間に対して十分速く、一回スキャン或は複数回スキャンしたり、入射角の最適値を見付けている。
【００３３】
次に図１の各構成要件について順次説明する。図１において図６で示した要素と同一要素には同符号をしている。図１において有限領域で不均一な光強度分布を有する光源８から出射した照明光（検出光）１３は、照明系レンズ６ａによって光源の像をイメージローテータ１４に結像する。ここで、要素８，６ａは照明手段の一要素を構成している。照明光１３はイメージローテータ１４を通過することで光軸Ｌａに対して回転される。尚、イメージローテータ１４は回転手段を構成しており、有効光源分布を回転する為、位置検出系の瞳面ないしは、その近傍に配置している。
【００３４】
その後、照明系レンズ６ｂによって平行光束に変換され、音響光学素子１５に入射する。音響光学素子１５は、位置検出系の物体面（ウエハ１面）の共役面ないしは、その近傍に配置されており、以下に解説する条件を満たすような変調信号が印加されている（音響光学素子１５は物体面１の共役面ないしは、その近傍に配置して、その位置での照明光の角度を変化させる入射角可変手段の一要素を構成している。これにより瞳面の光強度分布を制御している。つまり、瞳面のフーリエ変換面となる検出面の照明光の入射角を制御している。）。
【００３５】
一方、ブラック回折型の音響光学素子を用いた場合、音響光学素子１５によって計測方向である紙面に対して垂直方向（ｙ方向）の角度に偏向された光束はλ／２板４１に入射する。（但し、音響光学素子１５の材質、光源の種類によって回折光の偏光状態が異なる為、その偏光状態によって光量が最適になる様に、選択的にλ／２板４１を使用する。）音響光学素子１５では回折方向に対して、入射光のＰ偏光成分（紙面垂直方向）がＳ偏光成分（紙面平行方向，ｚ方向）になって偏向される。
【００３６】
その為、λ／２板４１が、偏光ビームスプリッタ９の反射面に於けるＳ偏光成分（紙面垂直方向）に偏光させている。（尚、音響光学素子１５の０次光が検出系に影響を与える場合、０次以外の回折光が検出系の光軸に一致するように音響光学素子１５間での光軸を傾けても良い。）垂直方向成分の光は、偏光ビームスプリッタ９を反射した後、順にλ／４板１７、検出光学系５，４、ミラー１０、更に投影光学系３を通して検出面（ウエハ）１をケーラー照明している。
【００３７】
アライメントマーク１８からの反射光、或は散乱光２１は再び投影光学系３、検出光学系４，５、λ／４板１７，偏光ビームスプリッター９を通した後、結像レンズ７によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子（受光素子）１２上に到達し、その面上にアライメントマーク１８の像を結像する。
【００３８】
音響光学素子１５によって、それを通過した光束は印加電圧の周波数に対応した角度に偏向される（検出光１９ｂ，１９ｃ）。偏向した光はウエハ１面上での照明光の入射角度を変えている。
【００３９】
図２はこの時のウエハ１面上を表わした模式図である。１８は段差構造をもつ理想的な位置検出用マーク（マークの中心軸に対して完全対称なマーク）で断面の端部は垂直になっている。１９ａは理想的な照明光束（検出光束）を表わしている。
【００４０】
それに対して１９ｂ，１９ｃは音響光学素子１５の印加電圧によって入射角度がスキャンされた検出光束を表わしている。照明光（検出光）がマーク段差方向に対して対称になる様、印加電圧をスイープ制御し、照明光を一回スキャン或いは複数回スキャンしている。この時、一回スキャン或は複数回スキャンの速さは、ＣＣＤカメラ等の光電変換素子１２の画像取り込み時間より十分速くしている。例えば、数十ｍｓの積分時間を有するＣＣＤカメラを用いた場合、１０回のスキャンを行うとすると、１スキャン当たり数ｍｓとなり、音響光学素子１５のアクセス時間が数十μｓであることを考慮すると十分可能である。
【００４１】
以上の様に照明光を積極的にスキャンしても、理想照明光による理想的マークの検出精度と同様の検出が可能である。また、それに対してイメージローテータ１４で、計測方向に沿った光軸に対する瞳面の光強度分布を変化させている。つまりマークの計測方向に光軸に対して対称となる様に瞳面の光強度分布を回転させ、その位置を固定する。この操作は光源に半導体レーザーの様な光軸に対して中心対称の光強度分布を持つ場合、特に有効である。更に音響光学素子１５、とイメージローテータ１４を組み合わせることで検出面に対して最適な照明条件となる様に調整している。
【００４２】
尚、上述した方法では音響光学素子１５、とイメージローテータ１４を同時に光学系内に保有していたが、瞳面の光強度分布が均一の時、測定精度向上の為、音響光学素子１５だけを用いて、画像取り込み時間内で、照明光の入射角度の一回スキャン或は複数回スキャンを行っても良い。また、照明光の入射角度に最適条件がある場合、スキャンをせず、最適な一定の入射角度になる様、音響光学素子１５を一定の周波数で駆動しても良い。また、半導体レーザーの様な光軸に対して対称な光強度分布を保有する光源の場合、音響光学素子１５を用いずにイメージローテータ１４だけで照明光の最適化を行っても良い。
【００４３】
また、照明光の最適化はマーク毎に行っても良いし、適宜、半導体デバイスの製造工程や、ウエハ毎に検出信号の調整状態を観察して、音響光学素子１５の印加電圧、及びイメージローテータ１４の回転角を自動的に最適化を行っても良い。その際、理想的なマークではない場合がある為、同じマークについてウエハを１８０度回転させて画像を検出する。そして、その画像信号が０度と１８０度回転した時に、画像が正確に回転する様、調整しても良い。
【００４４】
また、図５に示す様に、位置検出系内に瞳面の観察用光学系２０を自動的に挿入し、ＣＣＤカメラ１２で瞳面を適宜観察しながら、画像取り込み時間内で瞳面の光強度分布が均一になる様に自動最適化を行っても良いものとする。
【００４５】
尚、本発明の解説で使用している「マークの対称性」とは、図２で示す様な段差構造を持ったマークを観察し、その時検出されるマークのエッヂ信号が、図８で示した散乱強度ａ1 ，ｂ1 の値が等しくなった状態を意味する。この様に検出信号が現われるマークの種類としてＳｉ段差等が挙げられ、且つ、これは照明光の調整状態によって散乱強度ａ1 ，ｂ1 の発生量が敏感に変化する。
【００４６】
従って、図８に示す様にマークのエッヂ信号が強調される検出信号を持ち、照明光の調整状態に対して散乱強度ａ1 ，ｂ1 の発生量が敏感であるマークを使って最適な照明条件を見つけても良い。但し、上記以外のマークの対称性を定義する値、或は方法に関しても本発明が、適用出来ることは容易に推測でき、本発明の適用で上述と同様に測定精度の向上を図ることが出来る。
【００４７】
本実施例では以上のようにしてレチクルとウエハとの位置合わせをした後にレチクル面上のパターンをウエハ面上に投影露光し、該ウエハを現像処理工程を介して半導体デバイスを製造している。
【００４８】
次に本実施例に於いて、音響光学素子１５を使用することの効果を、図８を用いて解説する。図８（Ａ）の散乱強度ａ1 ，ｂ1 はそれぞれある瞬間時間ｔ1 のマークのエッヂの検出信号の散乱強度を表わしている。また図８（Ｂ）の散乱強度ａ2 ，ｂ2 は別の瞬間時間ｔ2 でのマークのエッヂの検出信号の強度を表わしている。これらの信号ａ1 、ｂ1 、ａ2 、ｂ2 は照明光の入射角度θ、及び光電変換の積分時間ｔｉの関数となる。つまり、
ａ1 （θ1 ，ｔｉ1 ），ｂ1 （θ1 ，ｔｉ1 ）
ａ2 （θ2 ，ｔｉ2 ），ｂ2 （θ2 ，ｔｉ2 ）
となる。音響光学素子はその印加電圧のＦＭ変調で、容易にθ及びｔｉを制御できる。従って印加電圧のＦＭ変調によって、最適なθ及びｔｉを見つけ、
ａ1 ＋ａ2 ＝ｂ1 ＋ｂ2
を達成している。つまり音響光学素子を用いることで上記の問題を容易に解決している。特にミラー等によるスキャンとは異なり、音響光学素子を用いて、θ及びｔｉを高速で、しかもステップ的に変動させて、より容易に最適な照明条件を見つけている。
【００４９】
この様に本実施例によれば、段差構造を持ったマーク等に対して計測方向で照明光を対称に照明することにより、段差構造におけるエッヂ散乱特性の差による測定誤差の発生を抑えている。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、位置合わせ用マークを検出する検出系を適切に構成することにより検出光量の減少を少なくし、瞳面の光量分布の均一化を容易に図ることが出来、位置検出用マークの位置情報を高精度に検出し、マスクとウエハとの位置合わせを高精度に行い、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することのできる位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の要部概略図
【図２】図１の一部分の拡大説明図
【図３】従来の位置検出装置の要部概略図
【図４】従来の位置検出装置におけるアライメントマークと照明光の説明図
【図５】本発明の実施例２の要部概略図
【図６】理想的な照明光とマークのエッヂ検出信号の説明図
【図７】マークの計測方向に照明光をスキャンしている概略図、及び計測信号の説明図
【図８】照明光入射角θ、及び信号取り込み積分時間ｔｉのちがいによりマーク信号に差が発生の説明図
【符号の説明】
１  ウエハ
２  ウエハステージ
３  投影露光光学系
４，５  位置検出レンズ
６ａ，６ｂ  照明系レンズ
７  結像レンズ
８  不均一光強度分布を持った光源
９，１０  反射ミラー
１１  ファイバー
１２  光電変換素子
１３  照明光（検出光）
１４  イメージローテータ
１５  音響光学素子
１７  λ／４板
１８  位置検出マーク
１９ａ  検出面に対する垂直照明光（理想的照明光）
１９ｂ，１９ｃ  検出面に対する傾き照明光
２０  瞳観察レンズ
２１，２２  位置検出マークの散乱、又は反射光
３０  位置検出マーク中心
３１ａ，３１ｂ  傾き照明光
３２ａ，３２ｂ  スキャンした照明光
４１  λ／２板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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