JP4227470B2 - 位置検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出方法に係り、特に半導体露光装置におけるウエハのアライメントを用いた位置検出方法に関する。本発明は、例えば、ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、及びＣＣＤ等の撮像素子といった各種デバイスの製造に用いられる位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の高性能化及び低価格化に伴い、それに内蔵される半導体の製造にも高精度のみならず生産の効率化が必要とされ、かかる半導体の回路パターンを露光する露光装置にも、高精度且つ効率的な製造が要求されている。この半導体を生産する露光装置では、レチクルやマスク等（以下、レチクルと総称する）に形成された回路パターンを感光性材料（以下、レジストと総称する）が塗布されたウエハやガラスプレート等（以下、ウエハと総称する）に転写する工程が行われる。一般に高精度に回路パターンを露光するためには、レチクルとウエハの相対的な位置合せ、いわゆる、アライメントを高精度に行なうことが非常に重要となる。
【０００３】
従来のアライメント方法としては、レチクル上の回路パターンの露光転写と同時にアライメントマークをウエハ上に露光転写し、かかるアライメントマーク全ショットの中から事前に設定された複数のアライメントマークの位置をアライメント検出光学系によって検出して、順次位置計測を行うものであった。その位置計測結果を統計的に処理し全ショット配列を算出し、その算出結果に基づきレチクルに対してウエハを位置決めが行われていた。
【０００４】
このアライメントマークは、レチクルとウエハとを高精度にアライメントする指標であって、回路パターンの微細化に伴って、アライメントマークにも高精度なものが要求されている。必要精度としては回路線幅の１／３が一般的であり、例えば、現状の１８０ｎｍサイズのデザインにおける必要精度はその１／３の６０ｎｍである。近年では、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＰｏｌｉＳｈｉｎｇ）プロセスなどの特殊な半導体製造技術が導入されており、それに伴い、ウエハ間やショット間でアライメントマークの形状にばらつきが発生し、アライメント精度を劣化させていた。更に、別の要因として照明系の傾き誤差やコマ収差誤差などの装置自体によるアライメント精度の劣化も存在する。そのような場合は、装置のプロセスの条件を変更して、アライメントマークと回路パターンの双方において適切な条件になるような条件を仮定し、アライメントマークの線幅を数種類作製して露光評価を行うことにより、最も高精度であると思われる線幅のアライメントマークを用いていた。
【０００５】
位置検出方法に関するその他の従来技術としては、例えば、特許文献１及び２がある。
【特許文献１】
特開平０５−０６２８７９号公報
【特許文献２】
特開平０９−１８６２２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体デバイスの製造プロセスの最適な条件（パラメータ）の算出は、マニュアルでおこなうため、膨大な作業時間を要していた。また、一旦パラメータが決定された後であっても、例えばプロセスエラーが発生した場合には、それに応じた製造プロセスの変更を再度マニュアルによって算出し変更する必要があり、この場合にも膨大な時間を割いていた。このため、従来はアライメント工程に膨大な時間がかかっており、半導体デバイスを製造する上での歩留まりを低下させていた。
【０００７】
更に今後は、回路パターンの微細化が進むと共に、新たな半導体プロセスの導入や、ウエハ径の３００ｎｍ化なども予想され、歩留まりだけでなく、回路パターンとアライメントマークの双方をウエハ全面で欠陥なく高精度に製造することまで困難になる恐れがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、アライメントマーク形状のばらつきが発生しても、高精度を維持し、歩留まりの向上が可能な位置検出方法を提供することを例示的目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての位置検出方法は、基板上に形成された複数のショットから数個のショットを選択し、選択したショット内のアライメントマークをアライメント検出光学系を用いて位置計測し、計測値の結果に基づいて基板の位置合わせを行う位置検出方法であって、前記アライメント検出光学系で前記基板上のアライメントマークのマーク像を撮像する工程と、前記マーク像の位置を算出する工程と、前記マーク像のコントラストまたは２つのエッジに対応する部分の非対称性を表す評価値を求める工程と、前記評価値を用いて前記マーク像の位置を補正して前記アライメントマークの位置を決定する工程とを有し、前記決定する工程は、前記選択したショットをｉ、前記マーク像の位置をＭｌｉ、前記マーク像の評価値をＥｉ、補正関数をｆ（Ｅｉ）としたとき、前記アライメントマークの位置ＭｉをＭｉ＝Ｍｌｉ＋ｆ（Ｅｉ）の算出式で求める工程を含み、前記補正関数ｆ（Ｅｉ）は、前記ショットの位置ずれをｘｙ方向に対するシフト成分Ｓｘ及びＳｙ、ｘｙ方向に対する倍率成分Ｂｘ及びＢｙ、ｘｙ軸に対する回転成分θｘ及びθｙの６成分で基板の位置を補正した場合の前記選択ショットの残差を求め、前記基板の位置を補正した後に前記基板上の第１の評価マーク上に第２の評価マークを形成して、第１の評価マークに対する第２の評価マークの位置を該アライメント検出光学系とは別の検査装置で計測し、前記残差と前記第２の評価マークの位置とを加算し、かかる加算の結果と前記マーク像の評価値の値の最小二乗法による近似式から求めることを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の目的と更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施態様において明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の例示的一態様としての位置検出方法及び装置について説明する。なお、各図において同一の部材については同一の参照番号を付し、重複説明は省略する。ここで図１は、本発明の位置検出方法を用いた露光装置１０の概略図である。
【００１２】
露光装置１０は、レチクル１２を図示しない照明光学系によって照明し、レチクル１２を介して、発せられた回折光は縮小投影光学系１４を通り、ウエハステージ１７上に配置されたウエハ２００上に転写し、ウエハ２００を露光する。露光装置１０は、回路パターンの描画されたレチクル１２と、かかるレチクル１２を縮小投影する縮小投影光学系１４と、前工程で下地パターンおよびアライメントマークの形成されたウエハ２００と、かかるウエハ２００を保持するウエハチャック１５と、かかるウエハチャック１５とウエハ２００を所定の位置に位置決めするウエハステージ１７と、ウエハ上のアライメントマークの位置を計測するアライメント検出光学系１００とを有する。
【００１３】
以下、露光装置１０に用いられるアライメント検出光学系１００の原理について説明する。ここで、図２は、図１に示すアライメント検出光学系１００の概略構成断面図である。図２は、ｘ方向の位置を検出するアライメント検出光学系の実施例であり、ｙ方向の位置を検出するアライメント検出光学系については、ｘ方向の位置を検出するアライメント検出光学系をｚ軸周囲に９０度回転したものなので、説明は省略する。
【００１４】
アライメント検出光学系１００は、照明系１２０と結像系１４０とから構成される。かかる照明系１２０の光源１２２からの照明光は、レンズ１２４で拡大されて平行光となり、再度レンズ１２７で集光される。可変な開口絞り１２６により照明光のコーヒーレンシ（σ）を調整する。アパチャー１２８は、ウエハ２００と共役な位置に置かれ、ウエハ２００上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないようにして視野絞りの役割をする。レンズ１２７により集光された光は再度レンズ１２９で平行光にされ、ビームスプリッタ１４３で反射し、レンズ１４１を通り、ウエハ２００上のアライメントマーク２１０を照明する。アライメントマーク２１０からの反射光は、結像系１４０のレンズ１４１、ビームスプリッタ１４３、レンズ１４５、１４６、１４８を通り、ラインセンサ１４９で受光される。可変な開口絞り１４７により、結像系１４０の開口数（ＮＡ）を調整できる。アライメントマーク２１０は、１００倍程度の結像倍率で拡大され、ラインセンサ１４９に結像される。
【００１５】
アライメントマーク２１０としては、図３または図４に示す略矩形状のマークを例示的に用いている。ここで図３は、図２に示すアライメント検出光学系１００によって計測されるアライメントマーク２１０の一例を示す概略平面図である。図４は、図３に示すアライメントマーク２１０の別の一例を示す概略平面図である。図３において、アライメントマーク２１０は、断面構造をエッチングにより、凹形状に形成され、計測方向であるＸ方向に４ｕｍ、非計測方向であるＹ方向に２０ｕｍの寸法を有し、Ｘ方向に２０ｕｍ間隔で４本並べられている。図示していないが、アライメントマーク２１０は上面にレジストが塗布されている。一方、図４に示すアライメントマーク２１０ａは、図３に示すアライメントマーク２１０の輪郭部分を０．６ｕｍの線幅で置き換えた形状をしている。アライメントマーク２１０または２１０ａのどちらかを用いても、アライメント検出光学系１００のレンズのＮＡに入らない大きな角度でエッジ部での散乱光の発生や、干渉により、ラインセンサ１４９で撮像された像は、図５に示す波形となる。ここで図５は、図１に示すアライメント検出光学系１００によって計測されたアライメント信号の一例を示すグラフである。アライメント検出光学系１００によって撮像された像は、明視野画像方法を用いており、アライメントマーク２１０の輪郭部が暗く、アライメントマーク２１０ａの凹部が暗く又は明るくなる。
【００１６】
このように撮像されたアライメントマーク２１０または２１０ａの画像はアライメント信号処理部１６０を用いて処理される。
【００１７】
以下、アライメント信号処理部１６０の処理方法を説明する。また、本実施形態では、アライメント信号処理部１６０は、アライメントマーク２１０の位置の算出に、テンプレートマッチング法を用いている。テンプレートマッチング法とは、図６のＳに示す取得した信号と、図６のＴに示す予め装置に記憶されているテンプレートとの相関演算で、最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する方法である。
ここで図６は、図３に示すアライメントマーク２１０の位置中心をテンプレートマッチング法によって測定したグラフである。図６のＥで示す相関値の関数において、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０から１／５０画素の分解能を達成できる。このとき、相関結果Ｅは、センサーで取得した信号Ｓ、テンプレートＴとして、数式１により決定される。
【００１８】
【数１】

【００１９】
図６では、４本のアライメントマーク２１０の内、１本のアライメントマークについての処理方法を示している。以下同様に他の３本のアライメントマークについても、テンプレートマッチング法により、各アライメントマークのマーク像のセンサー上での位置を検出する。更にテンプレートマッチング法によって、マーク像の位置Ｘ１（ｎ）、Ｘ２（ｎ）、Ｘ３（ｎ）、Ｘ４（ｎ）を求める（単位は画素）。ここでｎはテンプレート番号である。その後各マーク像の平均位置Ｘａを求める。この平均位置Ｘａは、数式２によって決定される。
【００２０】
【数２】

【００２１】
各テンプレートで求めたウエハ上のマーク像の平均値をＸａとし、アライメント検出光学系１００の結像倍率をＭ、エリアセンサーのアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすれば、マーク像の位置ずれＸｗ（ｎ）は、数式３により決定される。
【００２２】
【数３】

【００２３】
それにより、アライメント信号処理部１６０は、数式３に基づいて、ラインセンサ１４９で得られたマーク像信号からのアライメントマークの位置ずれ量Ｘｗを求める。
【００２４】
一方、上述のマーク像をある評価尺度に基づいて、波形評価値を求める。この波形評価値と位置ずれ量Ｘｗを用いて、最終的にはアライメントマーク位置Ｘを決定しているが、この処理方法については、後で詳細に述べることにする。
【００２５】
以下、アライメント信号処理部１６０で算出した位置測定値をもとにして、ウエハ２００のアライメントを行う方法について説明する。本発明では、アライメントにＡＧＡ（Ａｄｖａｎｃｅｄ ＧｌｏＢａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を適用している。ＡＧＡでは、ウエハ上の全チップ（ショット）の内、数ショットを選択して（以下、選択したショットをサンプルショットと呼称する。）、そのショット内にあるアライメントマークの位置を検出して行われる。
【００２６】
図７に示すように、ウエハのずれとしては、ｘ方向のシフトＳｘと、ｙ方向のシフトＳｙと、ｘ軸に対する傾きθｘと、ｙ軸に関する傾きθｙと、ｘ方向の倍率Ｂｘ、ｙ方向の倍率Ｂｙの６つのパラメータで記述できる。ここで図７は、図１に示す露光装置１０のウエハステージのｘｙ座標系に対してのウエハ上のショット配列のずれを示す概略図である。なお、Ｂｘ、Ｂｙは露光装置のウエハステージ送りを基準に、ウエハの伸縮を表し、半導体プロセスの成膜やエッチング等でウエハに熱を加えることにより引き起こされる。そのため、図示はしていない。
【００２７】
ここで、上述の方法により計測したＡＧＡの各サンプルショットの計測値Ａｉは、計測ショットＮｏをｉとすると、以下、数式４によって決定される。
【００２８】
【数４】

【００２９】
サンプルショットのアライメントマーク設計位置座標Ｄｉは、数式５により決定される。
【００３０】
【数５】

【００３１】
ＡＧＡでは、先に示したウエハの位置ずれを表す６つのパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を用いて、以下の１次の座標変換Ｄ′ｉを行う。座標変換Ｄ′ｉは、数式６によって決定される。
【００３２】
【数６】

【００３３】
数式６では、説明を容易にするため、θｘ、θｙ、は微小量であるためｃｏｓθ＝１、ｓｉｎθ＝θ、また、Ｂｘ≒１、Ｂｙ≒１のため、θｘ＊Ｂｘ＝θｘ、θｙ＊Ｂｙ＝θｙ等の近似を用いた。
【００３４】
図８に示すようにＷで示す位置にウエハ上のアライメントマーク２１０があり、設計上の位置であるＭの位置からＡｉだけずれており、座標変換Ｄ′ｉを行うとウエハ上のアライメントマーク２１０の位置ずれ（残差）はＲｉになる。ここで、図８は、座標変換Ｄ′ｉと補正残差Ｒｉを示す概略図である。残差Ｒｉは、数式７によって決定される。
【００３５】
【数７】

【００３６】
ＡＧＡでは各サンプルショットでの残差Ｒｉが最小になるように最小２乗法を適用している。すなわち、残差Ｒｉの平均２乗和を最小とする（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を算出する。Ｖは数式８及び数式９により決定される。
【００３７】
【数８】

【００３８】
【数９】

【００３９】
数式８及び数式９に、各サンプルショットでの計測値（ｘｉ，ｙｉ）、及びアライメントマーク設計位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入して、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めて、このＡＧＡパラメータをもとに、中央処理装置１７０がウエハステージ１７を動作させ、ウエハ２００上の各ショットの位置合わせを行う。その後、露光が実施される。
【００４０】
次に、アライメント検出光学系１００にコマ収差があった場合に、アライメントマーク２１０に段差変化があった場合の位置ずれ計測値と信号波形の変化について説明する。
【００４１】
図９のマーク段差ｄを、ｄ＝６０ｎｍ，７０ｎｍ，８０ｎｍ，１１０ｎｍとした場合のアライメント信号波形を図１０に示す。ここで図９は、アライメントマーク２１０を示す概略断面図である。図１０は、図９に示すアライメントマーク２１０の段差依存性を示すグラフである。アライメント検出光学系１００の条件は、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍであり、コマ収差の量としては０．１λである。図１０に示すようにマーク段差に応じて、信号のコントラストが変化している。それぞれの段差に対応するマーク像を計算し、先に説明したテンプレートマッチング法により、数式３を用いて計算すると図１１に示すように、信号コントラストと計測誤差の間には、強い相関が発生する。ここで図１１は、マーク像コントラスト（ＩＬｂ／ＩＬｍ）と計測誤差を示すグラフである。すなわち、信号コントラストと計測誤差の関係を前もって求めておけば、信号コントラストを用いて計測値を補正することにより、アライメント検出光学系１００の収差などの非対称性誤差や、アライメントマーク２１０の段差変化や、マーク幅変化が発生する場合においても、精度良くアライメントマーク２１０の位置を検出できるようになる。マーク像の位置の計測値をＭ１、マーク像の波形評価値として信号コントラストをＥ、補正係数をαとすると、真の位置ずれ量（図９で示すＰ２とＰ３の中点のずれ量）Ｍは、数式１０によって決定される。
【００４２】
【数１０】

【００４３】
本実施例では、波形評価値としての信号コントラストをＩＬｂ／ＩＬｍとして求める例を示したが、ＩＬｂの強度を波形評価値としても良く、更には左右の信号の平均的なコントラストを求めても良い。
【００４４】
続いて、補正係数αを求める方法について説明する。第１の方法は、先に説明したＡＧＡの際に、第１の計測条件および第２の計測条件で各サンプルショットを計測し、それぞれの各ショットの計測値および残差Ｒｉを記憶しておき、第１の計測条件で計測した計測値のみを用いて、数式８及び数式９に、各サンプルショットでの計測値（ｘｉ，ｙｉ）、及びアライメントマーク設計位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入して、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めて、このＡＧＡパラメータをもとに、中央処理装置１７０がウエハステージ１７を動作させ、ウエハ２００上の各ショットの位置合わせを行う。その後、露光が実施される。この時、図１２に示すようにウエハ２００上に、アライメントマークと同時に第１の重ね合わせ評価マークを形成しておいて、ＡＧＡアライメント後にレチクル１２上の第２の重ね合わせ評価マークを、第１の重ね合わせ評価マーク上のレジストに露光転写する。ここで、図１２は、アライメント計測値と重ね合わせ検査装置計測値との計測誤差の関係を示す概略図である。この第１、第２の重ね合わせ評価マークの位置ずれ量をＡＧＡのサンプルショットについて、不図示の重ね合わせ精度評価装置を用いて計測する。ＡＧＡにより計測された補正残量Ｒｉ（ｉはショットＮｏ）と、重ね合わせ精度検査装置により計測された計測値Ｋｉ（ｉはショットＮｏ）との関係は、逆符号で一致すべきであるが、アライメント検出光学系にコマ収差などの非対称性誤差がある場合には、アライメントマークの段差や、マーク幅変化により生じる騙せれ成分εｉだけ異なる関係となる。騙せれ成分εｉはεｉ＝Ｒｉ＋Ｋｉ（ｉはショットＮｏ）として求めることができる。
【００４５】
次にこの騙せれ成分εｉと、計測値Ｍ１ｉとのマーク像コントラストの関係を求める。図１３には、波長評価値Ｅと騙せれ成分εｉの各ショットの値の相関図と最小二乗法により求めた近似直線を示している。ここで図１３は、騙せれ成分εｉと波形評価値Ｅとの関係を示すグラフである。このように波形評価値Ｅと、騙せれ成分εｉから、最小二乗法により近似直線を求め、その傾きをαとしている。この方法は、重ね合わせ検査装置を基準に補正係数αの値を決定している。また、重ね合わせ検査装置を用いるかわりに、電測（電気測定）と呼ばれる電気的な特性を基に露光後のオフセット量Ｋｉを求める方法や測長ＳＥＭを用いてＫｉを求める方法等の応用も可能である。更に、図１３のように波形評価値Ｅと騙せれ成分εｉの関係を直線近似としたが、二次以上の高次関数で近似しても良い。また、第１の方法ではアライメント後に露光して、その露光ウエハを基準となる重ね合わせ装置などの検査装置で検定して、補正係数αを求める方法を示したが、第２の方法として、ＡＧＡの残差Ｒｉが最小になるようなαを求めることにしても良い。即ち、補正係数αの値を任意に設定して、数式１０により各ショットのアライメントマーク位置ずれ量を設定して、数式８及び数式９に代入してＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めて、数式７により、補正残差Ｒｉを求め、その標準偏差（σ）を求める（または最大値で良い）。このように補正係数αの値を変化させて同様の処理を繰り返し、残差Ｒｉが最小になる値を求めるようにする。
【００４６】
残差が一番小さくなる組合せを用いる理由は、残差量は半導体プロセスにより引き起こされた非線型な歪みとアライメント計測誤差（アライメント精度のウエハステージ配列精度の和）の和になり、同一ウエハでは非線型な歪み成分は一定なので、残差が小さくなるほどアライメント計測精度が良くなるからである。
【００４７】
更に第３の方法としては、アライメントマーク２１０の立体形状を立体形状測定装置で計測して、アライメントマーク形状変化量を取得し、使用するアライメント検出光学系１００のコマ収差などの誤差情報を入力して、マーク像をシミュレーションにより求めて、波形評価値Ｅと計測誤差εの関係式を求めることにより補正係数αを決定することもできる。
【００４８】
なお、先に示した３つの方法を組み合わせて、半導体製造工程のロットの先頭ウエハ（または先頭の数枚）について、重ね合わせ検査装置等の検査装置を用いて補正係数αを決定しておく。または、アライメントマーク形状測定結果からシミュレーションで補正係数αを決定しておいて、次のウエハからは、先頭ウエハで決定されたαの値の近傍の値で残差Ｒが最小となるように、補正係数を微調整するようにしてもよい。
【００４９】
以下、図１４のフローチャートを用いて、本発明のアライメントシーケンスを説明する。ここで図１４は、アライメントシーケンスのフローチャートを示す図である。ステップ５０でウエハ２００上のどのショットをＡＧＡの計測ショットにするかを設定する。続いてステップ５１で上述の方法により求めた補正係数αの値を設定する。ステップ５２でウエハステージ１７上に搭載されたウエハ２００上のサンプルショット内のアライメントマーク２１０をアライメント検出光学系１００の下に位置決めする。ステップ５３ではアライメント検出光学系１００でアライメントマーク２１０の像を取得する。ステップ５４では取得したマーク像から第１の計測値Ｍ１を算出し、露光装置１０内に記憶する。ステップ５５ではアライメントマーク２１０の像の波形評価値Ｅを算出し、露光装置１０内に記憶する。次に、ステップ５６ではステップ５０で設定された情報をもとに、計測すべきサンプルショットがまだ有るかを判断し、まだ有る場合にはステップ５２に戻り、全てのサンプルショットで計測および信号処理を行う。
【００５０】
ステップ５７で、ステップ５１で設定された補正係数αと、ステップ５４の第１の計測値Ｍ１とステップ５５の波形評価値Ｅとを用いて、Ｍｉ＝Ｍ１ｉ−αＥｉの式より、マークの位置ずれ量Ｍｉを求める（ここでｉはショットＮｏ）。ステップ５８で計算されたＡＧＡ計測値にもとづいて、露光装置に位置合わせされ、ステップ５９でレチクル１２上のパターンがウエハ２００上に露光転写される。
【００５１】
また、マーク像の位置を求める処理としては、先に示したテンプレートマッチングの他に、図１５に示すような方法も適用できる。ここで図１５は、図５のマーク像の信号の一部を拡大し、信号の左半分の折り返しテンプレートを示すグラフである。信号波形の左半分をテンプレートと見なしたときの相関値は、数式１１によって決定される。
【００５２】
【数１１】

【００５３】
最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する。相関値Ｅの関数において、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０から１／５０画素の分解能を達成できる。以下、同様に他の３本のアライメントマーク像についても、各マーク像のセンサー上での位置を検出する。その後、数式２にもとづき各マークの平均位置Ｘａ（ｎ）を求め、ウエハ上のアライメントマーク３０の位置ずれＸｗ（ｎ）を数式３により求める。
【００５４】
以下、本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では波形評価値Ｅを取得するためにアライメント検出光学系１００と、アライメントマークのマーク像の位置を取得するためにアライメント検出光学系１００として同一のものを使用する実施形態を示したが、本実施形態では、アライメントマーク２１０の形状変化により敏感なアライメント検出光学系で波形評価値を取得し、アライメントマークの形状変化に鈍感なアライメント検出光学系でアライメントマーク像の位置を検出するようにしている。すなわち、図２のアライメント検出光学系１００において、可変開口絞り１２６を駆動することにより、波形評価値を取得する際には、照明系のコヒーレンスファクタ（σ）を０．３に設定し、アライメントマーク像の位置を検出する際には、σ０．９に設定している。
【００５５】
図１６は、非対称マークの計算モデルを示す概略断面図である。詳しくは基板上のアライメントマーク（下地マーク）上のレジストが塗布むらにより、下地マーク中心から、位置計測方向にｄｘだけシフトするような非対称マークの計算モデル示す概略断面図である。図１７は、本発明の第２の実施形態の波形評価値を示すグラフである。この場合、図１７はレジストシフト量ｄｘを、ｄｘ＝０、０．２ｕｍ、０．４ｕｍとしている。アライメント検出光学系は、波形評価値算出用であり、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．３、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍである。
【００５６】
本実施形態の波形評価値Ｅの算出方法は、図１７に示すように、マークエッジ部に相当するマーク像の極小位置をそれぞれＸＬ、ＸＲとして、ＸＬを中心に折り返した信号の所定範囲ｋ内の差分値と、ＸＲを中心に折り返した信号の所定範囲ｋ内の差分値を求め、更に両者の差分値を波形評価値Ｅとする。すなわち、アライメントマーク像の強度を関数Ｆとすると、波形評価値Ｅは、数式１２によって決定される。
【００５７】
【数１２】

【００５８】
一方、図１６に示すアライメントマーク形状を、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍのアライメント検出光学系で計測した時のＰ２とＰ３の中心位置からの位置ずれ量εをテンプレートマッチング法を用いて数式３により求め、波形評価値Ｅと計測誤差（位置ずれ量ε）との関係を求めたものを図１８に示す。ここで、図１８は、本発明の第２の実施形態の波形評価値と計測誤差の関係を示すグラフである。図１８に示すように、波形評価値Ｅと計測誤差の関係は、一次関数としてフィッティングされる。このように、波形評価値Ｅと計測誤差εの関係が求まれば、数式１２に基づいて波形評価値Ｅを求め、上述したように数式１０の補正関数に基づいて、アライメントマークのマーク像の計測値を補正することにより、アライメントマークの非対称性誤差に影響されずに高精度にアライメントを実行することが可能となる。
【００５９】
なお、補正係数αの決定方法およびＡＧＡの方法などは、第１の実施例と同じなので説明を省略する。
【００６０】
続いて、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、波形評価値を取得するアライメントマークの形状変化に敏感なアライメント検出光学系として単一波長の光源を用いて、マーク像の位置を検出するアライメント検出光学系１００Ａとして、波長幅が１５０ｎｍ程度のブロードバンド光（ＢＢ光）を使用している。単一波長の場合、レジストなどの半透明膜がある場合、多重干渉により、膜厚変化に対してマーク像が敏感に変化するのに対して、ＢＢ光の場合は、多重干渉の影響が抑えられ、膜厚変化に対してマーク像の変化は少ない。
【００６１】
図１９は、図２のアライメント検出光学系１００の別の実施形態を示す概略断面図である。図１９に示すアライメント検出光学系１００Ａは、図２で示すアライメント検出光学系１００とは、照明系１２０が異なる。照明系１２０Ａには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２３とＢＢ光源１２１（ハロゲンランプ）の２つの光源を有し、両光源からの光はビームスプリッタ１２５で同一光路を通るようにしている。
【００６２】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２３とＢＢ光源１２１は不図示の切り替え手段により、波形評価値取得ステップでは、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２３のみがウエハ２００上に照射され、マーク像の位置検出ステップでは、ＢＢ光１２１のみがウエハ２００上に照射されるようになっている。なお、可変開口絞り１２６の開口の大きさを変えることにより、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２３照射時は、照明系のσが０．３になるように、ＢＢ光１２１照射時は照明系のσが０．９になるようにしている。
【００６３】
ビームスプリッタ１２５以降の光学系は図１と同一の構成であるため、説明は、省略する。
【００６４】
続いて、本実施例の場合の波形評価値と計測誤差の関係を計算した結果を説明する。対象とする計算モデルは、図１６であり、基板上のアライメントマーク（下地マーク）上のレジストが塗布むらにより、下地マーク中心から、位置計測方向にｄｘだけシフトするような非対称マークである。
【００６５】
図１６に示すアライメントマーク形状を、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、円偏光、波長が５５０ｎｍから７００ｎｍの波長幅１５０ｎｍのアライメント検出光学系１００Ａで計測した時のＰ２とＰ３の中心位置からの位置ずれ量εをテンプレートマッチング法を用いて数式３より求め、波形評価値Ｅと計測誤差（位置ずれ量ε）との関係を図２０に示す。ここで、図２０は本発明の第３の実施形態の波形評価値と計測誤差の関係を示すグラフである。波形評価値算出用のアライメント検出光学系は、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．３、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザ１２３の６３３ｎｍであり、波形評価値Ｅは先の第２実施形態と同値であり、数式１２により算出したものである。アライメント検出光学系１００Ａは、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザ１２３の６３３ｎｍでアライメントマーク像の位置を算出した場合、図２０に示すような計算結果である。Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２３で照明した場合とＢＢ光１２１で照明した場合とでは、波形評価値Ｅの変化率に対して（アライメントマークの非対称性の変化に対応する）、計測誤差の変化率が大きくことなり、ＢＢ光１２１で照明した方がアライメントマークの非対称性に対して鈍感であることが図２０から理解できる。
【００６６】
このようにマーク像の位置検出する際には、マークの非対称性に鈍感なアライメント検出光学系を用いる方が、波形評価値Ｅの計測誤差が発生した場合においても、補正誤差がより小さくすることができるという特別の効果がある。
【００６７】
なお、補正係数αの決定方法およびＡＧＡの方法などは、第１の実施例の同じなので説明を省略する。
【００６８】
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。本実施例では、下地マーク形状に非対称性誤差がある場合にも、マーク像の波形評価値Ｅをもとにアライメント検出光学系を補正することにより、アライメントマーク２１０の所望の位置を検出することが可能となる適用例を示すものである。図２１は、レジストで覆われた下地マークの例を示す概略図である。図２１において下地マークの頂点Ｐ４の位置がＰ４′、Ｐ４"のようにｄｘ＝０、０．２ｕｍ、０．４ｕｍと変化し、同時にレジストの形状も頂点Ｐ８の位置が、Ｐ８′、Ｐ８"の様にｄｘ＝０、０．２ｕｍ、０．４ｕｍと変化するモデルである。図２２は、図２１のアライメントマーク像の変化を計算したグラフである。アライメント検出光学系は、波形評価値算出用であり、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．３、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍである。本実施例の波形評価値Ｅは、図２２に示すような波形変化に着目し、左側信号の極大値ＩＬｐ、左側信号の極小値ＩＬｂ、右側信号の極大値ＩＲｐ、右側信号の極小値ＩＲｂを求めて（極値を示す画素およびその左右１画素分の平均値を使うようにして、アライメント信号のノイズに影響されにくくする方が好ましい）、波形評価値Ｅは、数式１３によって決定されている。
【００６９】
【数１３】

【００７０】
図２３には数式１３に基づいて、計算した波形評価値Ｅと、同じモデルを開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、円偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍのアライメント検出光学系で撮像した時のマーク像をシミュレーションし、テンプレートマッチング法を用いて数式３より求めた図２１のＰ２とＰ３の中心位置からの位置ずれ量εとの関係を示す。ここで図２３は、本発明の第４の実施形態の波形評価値Ｅと計測誤差εの関係を示す概略図である。
【００７１】
このように数式１３に示す波形評価値Ｅと計測誤差の関係は線形であり、アライメント検出光学系で撮像されたマーク像より波形評価値Ｅを求めて、マーク像位置計測値を数式１０に示す補正式で補正することにより、アライメントマークに非対称な誤差がある場合でも、アライメントマークの所望の位置（ここでは図２１のＰ２とＰ３の中心）を正確に検出することができるようになる。
【００７２】
以下、同一の半導体プロセス工程のウエハを複数の露光装置でのアライメント検出光学系１００に適用する方法について説明する。このような場合、アライメント検出光学系に起因する計測誤差ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）を管理しておく必要がある。ＴＩＳの主な原因はアライメント検出光学系の非対称収差であり、特にコマ収差と、照明系のテレセン度（ウエハに対する主光線の垂直度）の２つが起因している。このＴＩＳが大きいなアライメント検出光学系１００では、アライメントマークの非対称性が拡大して大きな計測誤差を生じてしまう場合がある。したがって、複数の露光装置を使用する場合は露光装置内のアライメント検出光学系のＴＩＳを管理し、所定閾値内のＴＩＳを持つアライメント検出光学系を備えた露光装置には、同じ非対称性誤差補正係数αを適用し、閾値を超えるＴＩＳのアライメント検出光学系を備えた露光装置は、別途補正係数αを前述の方法により求めるようにするのが好ましい。
【００７３】
次に、図２４及び図２５を参照して、上述の露光装置１０を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図２４は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウエハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。
【００７４】
図２５は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１０によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明は、アライメントマーク形状のばらつきが発生しても、高精度を維持し、半導体素子製造工程において歩止まりを向上させることができると同時に、アライメントマークの形状を安定化させるために必要だった半導体プロセスの条件出しの時間を短縮化し、半導体素子製造の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の位置検出方法を用いた露光装置の概略図である。
【図２】 図１に示す、アライメント検出光学系の概略構成断面図である。
【図３】 図２に示すアライメント検出光学系によって計測されるアライメントマークの一例を示す概略平面図である。
【図４】 図３に示すアライメントマークの別の一例を示す概略平面図である。
【図５】 図１に示すアライメント検出光学系によって計測されたアライメント信号の一例を示すグラフである。
【図６】 図３に示すアライメントマークの位置中心をテンプレートマッチング法によって測定したグラフである。
【図７】 図１に示す露光装置のウエハステージのｘｙ座標系に対してのウエハ上のショット配列のずれを示す概略図である。
【図８】 座標変換と補正残差を示す概略図である。
【図９】 アライメントマークを示す概略断面図である。
【図１０】 図９に示すアライメントマークの段差依存性を示すグラフである。
【図１１】 マーク像コントラストと計測誤差を示すグラフである。
【図１２】 アライメント計測値と重ね合わせ検査装置計測値との計測誤差の関係を示す概略図である。
【図１３】 騙せれ成分と波形評価値との関係を示すグラフである。
【図１４】 アライメントシーケンスのフローチャートを示す図である。
【図１５】 図５のマーク像の信号の一部を拡大し、信号の左半分の折り返しテンプレートを示すグラフである。
【図１６】 非対称マークの計算モデル示す概略断面図である。
【図１７】 本発明の第２の実施形態の波形評価値を示すグラフである。
【図１８】 本発明の第２の実施形態の波形評価値と計測誤差の関係を示すグラフである。
【図１９】 図２のアライメント検出光学系の別の実施形態を示す概略断面図である。
【図２０】 本発明の第３の実施形態の波形評価値と計測誤差の関係を示すグラフである。
【図２１】 レジストで覆われた下地マークの例を示す概略図である。
【図２２】 図２１のアライメントマーク像の変化を計算したグラフである。
【図２３】 本発明の第４の実施形態の波形評価値と計測誤差の関係を示す概略図である。
【図２４】 本発明の露光装置を有するデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２５】 図２４に示すステップ４の詳細なフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 露光装置
１２ レチクル
１４ 縮小投影光学系
１００ アライメント検出光学系
１２０ 照明系
１４０ 結像系
１６０ アライメント信号処理部
１７０ 中央処理装置
１２２ 光源
２００ ウエハ
２１０、２１０ａ アライメントマーク

Claims (10)

1. 基板上に形成された複数のショットから数個のショットを選択し、選択したショット内のアライメントマークをアライメント検出光学系を用いて位置計測し、計測値の結果に基づいて基板の位置合わせを行う位置検出方法であって、
   前記アライメント検出光学系で前記基板上のアライメントマークのマーク像を撮像する工程と、
   前記マーク像の位置を算出する工程と、
   前記マーク像のコントラストまたは２つのエッジに対応する部分の非対称性を表す評価値を求める工程と、
   前記評価値を用いて前記マーク像の位置を補正して前記アライメントマークの位置を決定する工程とを有し、
   前記決定する工程は、前記選択したショットをｉ、前記マーク像の位置をＭｌｉ、前記マーク像の評価値をＥｉ、補正関数をｆ（Ｅｉ）としたとき、前記アライメントマークの位置Ｍｉを
   Ｍｉ＝Ｍｌｉ＋ｆ（Ｅｉ）
   の算出式で求める工程を含み、
   前記補正関数ｆ（Ｅｉ）は、前記ショットの位置ずれをｘｙ方向に対するシフト成分Ｓｘ及びＳｙ、ｘｙ方向に対する倍率成分Ｂｘ及びＢｙ、ｘｙ軸に対する回転成分θｘ及びθｙの６成分で基板の位置を補正した場合の前記選択ショットの残差を求め、前記基板の位置を補正した後に前記基板上の第１の評価マーク上に第２の評価マークを形成して、第１の評価マークに対する第２の評価マークの位置を該アライメント検出光学系とは別の検査装置で計測し、前記残差と前記第２の評価マークの位置とを加算し、かかる加算の結果と前記マーク像の評価値の値の最小二乗法による近似式から求めることを特徴とする位置検出方法。
2. 前記算出式は、Ｍｉ＝Ｍ１ｉ−α・Ｅｉで表され、
   αは、前記加算の結果と前記マーク像の評価値の値から最小二乗法により求められた近似直線の傾きであることを特徴とする請求項１記載の位置検出方法。
3. 前記補正関数ｆ（Ｅｉ）は、前記評価値の２次以上の多項式からなることを特徴とする請求項１記載の位置検出方法。
4. 前記アライメント検出光学系の複数の計測条件で前記基板上のアライメントマークのマーク像を撮像する工程と、
   前記複数の計測条件で撮像されたマーク像のうち、前記アライメントマークの形状に敏感な第１の計測条件のマーク像の評価値を求める工程と、
   前記複数の計測条件で撮像されたマーク像のうち、前記アライメントマークの形状に鈍感な第２の計測条件のマーク像の位置を算出する工程と、
   前記評価値を用いて前記マーク像の位置を補正して、前記アライメントマークの位置を決定する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の位置検出方法。
5. 前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、前記アライメント検出光学系のコヒーレンシー条件σであり、前記第１の計測条件のσが、前記第２の計測条件のσに比べて小さいことを特徴とする請求項４記載の位置検出方法。
6. 前記第１の計測条件は、前記アライメント検出光学系の照明条件が単一波長であり、前記第２の計測条件は、前記アライメント検出光学系の照明条件がブロードバンド光であることを特徴とする請求項４記載の位置検出方法。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の位置検出方法を行い、当該位置検出方法によりアライメントを行うことを特徴とする位置合わせ装置。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の位置検出方法を用いて得られた所定の領域に設けられたアライメントマークの補正された位置を用いて、被露光体の前記所定の領域をアライメントするステップと、
   前記被露光体の前記領域に露光するステップとを有する露光方法。
9. 請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の位置検出方法を用いて得られた所定の領域に設けられたアライメントマークの補正された位置を用いて、被露光体の前記所定の領域をアライメントするアライメント手段と、
   前記被露光体の前記領域に露光する露光手段とを有する露光装置。
10. 請求項９記載の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、
    露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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