JP2005011980A - 位置検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出方法を提供する。
【解決手段】複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出方法であって、前記複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得するステップと、前記取得ステップで取得した複数の前記位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択するステップと、前記選択ステップで選択された前記所定の精度を有する位置情報を用いて前記被検出体の位置を算出するステップとを有することを特徴とする位置検出方法を提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出方法であって、前記複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得するステップと、前記取得ステップで取得した複数の前記位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択するステップと、前記選択ステップで選択された前記所定の精度を有する位置情報を用いて前記被検出体の位置を算出するステップとを有することを特徴とする位置検出方法を提供する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、位置検出方法に係り、特に、ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、ＣＣＤ、磁気ヘッド等の各種デバイスを製造する際に使用される露光装置において、ウェハ等の物体の位置を検出する位置検出方法に関する。本発明は、例えば、レチクルとウェハの相対的な位置合わせなどに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子の微細化への要求はますます高くなってきている。半導体素子を製造するためのフォトリソグラフィー（焼き付け）方法としては、レチクル又はマスク（本出願では、これらの用語を交換可能に使用する。）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。
【０００３】
投影露光装置の解像度（転写できる最小の寸法）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。このため、近年の半導体素子の微細化への要求に伴い、投影光学系のＮＡを上げると共に、露光光源は超高圧水銀ランプ（ｉ線（波長約３６５ｎｍ））からＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）、更に、より短波長紫外線光のＦ２レーザー（波長約１５７ｎｍ）やシンクロトロン（ＳＲ：Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）光と短波長化が進められている。
【０００４】
また、投影露光装置では、回路パターンの微細化（即ち、解像度の向上）に伴い、レチクルとウェハの相対的な位置を合わせるアライメントについても高精度化が要求されている。アライメントに必要な精度は、典型的には、回路パターンの１／３程度であり、例えば、１ＧビットＤＲＡＭの回路パターンのデザインルールを０．１８μｍとすると、６０ｎｍ以下のオーバーレイ精度が必要とされる。ここで、オーバーレイとは、露光領域全体のアライメントを意味するものである。
【０００５】
半導体産業の現状において、ウェハでの重ね合わせ精度を高精度化することは、半導体素子の性能及び製造の歩留まり（スループット）を向上させる上で露光装置に求められる必須の課題であると言える。そこで、アライメント光学系を用いてウェハ等の上に形成されたアライメントマークの位置を光学的に検出し、かかる検出結果に基づいてウェハをレチクルに対して位置決めを行っている。具体的には、アライメントマークから得られるアライメント信号に信号処理を施すことでアライメントマークの位置を検出する。かかる信号処理としては、アライメント信号の対称性を利用した折り返し対称処理など様々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
このような位置検出を全ての露光ポジション（ショット）で毎回行うアライメント方式（「ダイバイダイ方式」とも呼ばれる。）もあるが、通常は、スループットに優れたグローバルアライメントが行われる。グローバルアライメントとは、ウェハ内の複数のサンプルショットの位置座標を計測し、その計測値を統計処理してウェハのシフト、倍率、ローテーション誤差を算出し、この誤差を考慮してウェハの座標系を補正した後、各ショットへのステップ移動を行う、というものである。また、最近では、グローバルアライメントを発展させたアドバンストグローバルアライメント（ＡＧＡ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｇｌｏｂａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が行われており、このＡＧＡは、レーザー干渉計が設置されたＸＹステージ精度頼りでウェハの位置計測を行うグローバルアライメントのことで、ウェハ倍率、ウェハ回転、シフト量を求めると共に異常値はね等の統計処理を行うものである。なお、異常値はねとは、ショットからの計測値から平均値と標準偏差を求め、偏差が大きいショットからの計測値を除去することである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−０９４３１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセスなどの特殊な半導体製造技術の導入によって、ウェ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、アライメント精度が劣化するという問題が発生し得る。これは、回路パターンの微細化に伴い、回路パターンの線幅とアライメントマークの線幅との差が大きくなり、成膜、エッチング、ＣＭＰなどのプロセス条件が微細な回路パターン（線幅０．１μｍ乃至０．１５μｍ）に最適化され、線幅の大きなアライメントマーク（線幅０．６μｍ乃至４．０μｍ）に対しては最適化されないためである。
【０００９】
アライメントマークの線幅を回路パターンの線幅に合わせることも考えられるが、アライメント光学系の分解能が足りないために信号強度又はコントラストが減少し、アライメント信号の安定性が悪化する。また、回路パターンと同等の線幅のアライメントマークを検出するアライメント光学系を構成するためには、大きなＮＡ及び短波長のアライメント光源が必要となり、装置コストが高くなるなどの別の問題を生じてしまう。
【００１０】
更に、ウェハプロセス起因の誤差（ＷＩＳ：Ｗａｆｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）によって検出結果に大きな誤差（アライメント信号の非対称性）を生じ、アライメント精度が劣化してしまう場合がある。その要因は、アライメントマークの非対称性やレジストの非対称性などが挙げられる。また、装置（露光装置及びアライメント光学系）起因の誤差（ＴＩＳ：Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）との相互作用による誤差（ＴＩＳ−ＷＩＳ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）もアライメント精度を劣化させてしまう。
【００１１】
ＡＧＡは、このような誤差を含む計測値に対して異常値はねを行い、更に、ショット異常が多発する場合には、代替ショットで計測を行っている。しかし、代替ショットを計測しても、同様にＷＩＳにより誤差が発生し、計測誤差量は少ないとはいえ完全に問題を解消できない場合がある。
【００１２】
また、露光後に重ね合わせ結果を確認し、重ね合わせ誤差をオフセット補正することも行っているが、オフセット補正はスループットを低下させることに繋がるためロット毎やプロセス毎に行うのが現実的であり、完全に問題を解消できない場合がある。重ね合わせ結果を基に、どのショットの誤差が多いのかを分析することは可能であるが、多くの時間を要してしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出方法を提供することを例示的目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての位置検出方法は、複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出方法であって、前記複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得するステップと、前記取得ステップで取得した複数の前記位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択するステップと、前記選択ステップで選択された前記所定の精度を有する位置情報を用いて前記被検出体の位置を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての位置検出方法について説明する。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、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１７は、本発明の一側面としての露光装置１００の例示的一形態を示す概略ブロック図である。露光装置１００は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式でレチクルに形成された回路パターンをウェハに露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィー工程に好適である。ここで、「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、レチクルに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してレチクルパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動して、次の露光領域に移動する露光方法である。「ステップ・アンド・リピート方式」とは、ウェハの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次の露光領域に移動する露光方法である。
【００１８】
図１７を参照するに、露光装置１００は、所望のパターン（回路パターン等）の描画されたレチクル１１０を縮小投影する投影光学系１２０と、前工程で下地パターン及びアライメントマーク１８０の形成されたウェハ１３０を保持するウェハチャック１４５と、ウェハ１３０を所定の位置に位置決めするウェハステージ１４０と、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置を計測するアライメント光学系１５０と、アライメント信号処理部１６０と、制御部１７０とを有する。なお、図１７においては、光源や光源からの光でレチクル１１０を照明する照明光学系は省略されている。制御部１７０は、図示しないＣＰＵ、メモリを有し、露光装置１００の動作を制御する。制御部１７０は、図示しない照明装置、図示しないレチクルステージ、ウェハステージ１４０と、アライメント信号処理部１６０と電気的に接続されている。制御部１７０は、アライメント信号処理部１６０からのアライメントマークの位置情報に基づいて、ウェハステージ１４０を介してウェハ１３０の位置決めを行う。
【００１９】
まず、アライメントマーク１３０の検出原理について説明する。図１８は、図１７に示すアライメント光学系１５０の主要な構成要素を示す概略光路図である。図１８を参照するに、アライメント光源１５１からの照明光は、ビームスプリッタ１５２で反射し、レンズ１５３を通り、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０を照明する。アライメントマーク１８０からの光（反射光、回折光）は、レンズ１５３、ビームスプリッタ１５２、レンズ１５４を通り、ビームスプリッタ１５５で分割され、それぞれＣＣＤセンサー１５６及び１５７で受光される。
【００２０】
ここで、アライメントマーク１３０は、レンズ１５３及び１５４により１００倍程度の結像倍率で拡大され、ＣＣＤセンサー１５６及び１５７に結像される。ＣＣＤセンサー１５６及び１５７はそれぞれ、アライメントマーク１８０のＸ方向のずれ計測用、アライメントマーク１８０のＹ方向のずれ計測用になっており、光軸に対して９０度回転させて設置されている。ＣＣＤセンサーとしてラインセンサーを使用してもよく、この場合、計測方向と垂直方向にのみにパワーを持つシリンドリカルレンズにより、計測方向と垂直方向に集光して光学的に積分し、平均化するのが好ましい。Ｘ方向及びＹ方向の計測原理は同じなので、Ｘ方向の位置計測について説明する。
【００２１】
アライメントマーク１８０は、各ショットのスクライブライン上に配置されており、例えば、図１９及び図２０に示す形状のアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを使用することができる。なお、アライメントマーク１８０は、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを総括するものとする。ここで、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、図１７に示すアライメントマーク１８０Ａの概略平面図及び概略断面図であり、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、図１７に示すアライメントマーク１８０Ｂの概略平面図及び概略断面図である。図１９及び図２０において、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂは、等間隔で配置された４つのマーク要素１８２Ａ及び１８２Ｂを含んでいる。なお、実際には、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂの上にレジストが塗布されているが、図１９及び図２０では図示を省略している。
【００２２】
アライメントマーク１８０Ａは、図１９（ａ）に示すように、計測方向であるＸ方向に４μｍ、非計測方向であるＹ方向に２０μｍの矩形のマーク要素１８２ＡをＸ方向に２０μｍピッチで４つ並べている。マーク要素１８２Ａの断面構造は、図１９（ｂ）に示すように、凹形状をしている。一方、アライメントマーク１８０Ｂは、図２０に示すように、図１９に示すマーク要素１８２Ａの輪郭部分を０．６μｍの線幅で置き換えたマーク要素１８２Ｂを４つ並べている。
【００２３】
図１９及び図２０のどちらのアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを用いても、アライメント光学系１５０のレンズ１５３及び１５４のＮＡに入らない大きな角度のエッジ部での散乱光の発生や、エッジ部での散乱光の干渉により、ＣＣＤセンサー１５６で撮像された像は、図２１のようになるのが一般的である。アライメントマーク１８０Ａはその輪郭部が暗く、アライメントマーク１８０Ｂは凹部が暗く又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像であり、その特徴と言える。ここで、図２１は、図１９及び図２０に示すアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを光学的に検出した場合の典型的な検出結果を示すグラフである。
【００２４】
このように撮像されたアライメントマーク１８０の画像はアライメント信号処理部１６０を介して、後述するようなアライメント信号処理が行われる。図２２は、図１７に示すアライメント信号処理部１６０が内蔵する主な機能モジュールを示す概略ブロック図である。
【００２５】
図２２を参照するに、ＣＣＤセンサー１５６及び１５７からのアライメント信号は、Ａ／Ｄ変換器１６１を通してデジタル化される。デジタル化されたアライメント信号は、記録装置１６２に内蔵される図示しない各種信号処理回路によってノイズ成分を除去され、内蔵しているメモリに記録される。マーク中心検出部１６３は、記録されたデジタル化したアライメント信号にデジタル信号処理を行う。マーク中心検出部１６３は、デジタル化したアライメント信号用の演算素子によって、後述する位置検出方法１０００を行い、アライメント信号の中心位置を検出する。ＣＰＵ１６４は、Ａ／Ｄ変換器１６１、記録装置１６２、マーク中心検出部１６３と接続しており、コントロール信号を出力して動作制御を行っている。通信部１６５は、図１７に示す制御部１７０と通信を行い、必要なデータ、コントロール指令等のやり取りを行っている。
【００２６】
マーク中心検出部１６３が行うデジタル信号処理はアライメント信号のエッジ部分を検出し、かかるエッジ間の距離を計算する方法や正規化相関によるパターンマッチング法など各種提案されており、本発明もデジタル信号処理の一例としてアライメント信号の中心位置を検出する位置検出方法１０００を提案するものである。なお、信号源は、２次元信号でも１次元信号でもよい。２次元画像の水平方向の画素を垂直方向にヒストグラムを取り、画像のボーティング処理を行い主要成分で平均化することで２次元画像を１次元画像に変換することが可能となる。本発明の提案するデジタル信号処理の場合は、Ｘ方向及びＹ方向の計測は独立の構成であるので、位置決めの基本となる信号処理は１次元での信号処理で決められる。例えば、ＣＣＤセンサー１５６及び１５７上の２次元画像を、デジタル信号で積算して平均化を行って、１次元のライン信号に変換する。
【００２７】
まず、本発明者は、従来のデジタル信号処理としてパターンマッチング法について鋭意検討した結果、様々な問題が生じることを発見した。以下にそれを示す。
【００２８】
パターンマッチング法は、図２３（ｂ）に示す取得した信号Ｓと、図２３（ａ）に示す予め装置で持っているモデル信号（テンプレート）Ｔとの相関演算で、最も相関の高い位置をアライメントマークの中心として検出する。図２３（ｃ）に示す相関値の関数Ｅにおいて、ピーク画像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画素乃至１／５０画素の分解能を達成できる。ここで、図２３は、図２２に示す検出結果に適用可能なパターンマッチング法を示す図である。
【００２９】
パターンマッチング法は、以下の数式１で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ここで、ＳはＣＣＤセンサーで取得した信号、Ｔはモデル信号、Ｅは相関結果である。信号Ｓ、モデル信号Ｔ、相関値Ｅの関係を図示すると、図２３のようになる。図２３では、４つのマーク要素１８１のうち、１つのマーク要素像についての処理方法を示している。ここでは、相関値Ｅが最大となる位置をマーク要素像の中心位置としている。なお、モデル信号Ｔとしては、波形の対称性を利用して、信号Ｓの左半分を折り返して相関演算を行い、アライメントマークの位置を決定する方法も提案されている。また、相関値Ｅの精度を上げるために、スプライン関数又はＧａｕｓｓ関数などで補間してピークになるＸ方向の座標位置を求め、かかる座標位置をマーク要素１８１の中心位置としてもよい。
【００３２】
以下同様に、他の３つのマーク要素像についても、パターンマッチング法により、各マーク要素像のＣＣＤセンサー上での位置を検出する。
【００３３】
図２１は、デジタル化されたアライメント信号をマーク計測位置方向に積算して平均化したアライメント信号である。光学的に集光して１次元のラインセンサーを使用すれば、画像処理を行った２次元画像を１次元画像に変換する処理は不要である。
【００３４】
パターンマッチング法により、マーク要素像の中心位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４を求める（単位は画素）。４つのマーク要素像の中心位置Ｘ１乃至Ｘ４を平均することで、以下の数式２で示すアライメントマーク１８０全体の中心座標Ｘａが求まる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
その結果、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置ずれＸｗは、アライメント光学系１５０の結像倍率をＭ、ＣＣＤセンサー１５６のアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすれば、以下の数式３で表される。
【００３７】
【数３】
【００３８】
例えば、アライメント光学系１５０の結像倍率Ｍ＝１００、画素ピッチＰｘ＝２４μｍの場合、ＣＣＤセンサー１５６上で１画素の位置ずれは、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置ずれＸｗとして、２４μｍ／１００＝２４０ｎｍに相当する。
【００３９】
このようなパターンマッチング法に代表される従来の信号処理は、ＷＩＳの影響による精度劣化の検出を行っておらず、ＷＩＳによる影響を見逃していた。従来の信号処理は、マーク要素毎の画像計測を行い、マーク要素の個数分の計測結果を平均化することで部分的なマーク要素の欠陥による計測精度の劣化を抑えている（平均化効果）。しかしながら、近年の半導体素子の微細化に伴う高精度なアライメントの要求に対して、従来の平均化だけでは精度的に厳しい場合があることが判明した。
【００４０】
そこで、本発明者は、信号処理として、従来の平均化効果による方法ではなく、誤差を含む情報を除去し、所定の精度を有する情報のみを用いることで計測精度の劣化を防止する位置検出方法１０００を提案する。本発明の位置検出方法１０００は、アライメントマークを構成する複数のマーク要素のうち、著しくマーク要素の中心位置がずれて計測される情報がある場合に好適である。位置検出方法１０００は、ＷＩＳ、具体的には、アライメントマークの非対称性形状によるアライメントエラーを発生させない信号処理である。
【００４１】
従来のパターンマッチング法による信号処理を行った場合、図２４に示すように、ＷＩＳによりマーク要素の中心位置の検出座標にシフトが生じる場合がある。図２４を参照するに、レジストが下地にエッチングされたパターンの中心に対して、非対称に右側にシフトして塗布されている。ここで、図２４は、ＷＩＳ（アライメント非対称性）の影響によりマーク要素の計測位置がシフトする場合の一例を示す概略模式図である。
【００４２】
このような場合、検出されるアライメント信号を４つのマーク要素毎に比較すると、例えば、４つのマーク要素のうち１つだけがＷＩＳの影響で波形歪みが大きくなることになる。これは、１つのマーク要素の周辺にグレインが付着した場合もあるし、ウェハプロセスの不良により部分的にレジストの膜厚が変化して反射率が変わっている場合も考えられる。
【００４３】
図２５は、４つのマーク要素１８１Ｂのうち、左から３つ目の右側のエッジにグレインＧＲが付着した場合のアライメントマーク１８０Ｂの概略平面図である。このようなグレインＧＲの影響で、検出されるアライメント信号の一部に歪みが大きく現れることになる。図２６は、図２５に示すアライメントマーク１８０Ｂから検出される一部に歪みが発生したアライメント信号の波形の一例を示すグラフである。図２６を参照するに、４つのマーク要素１８１Ｂのうち、３つ目のマーク要素１８１Ｂにアライメント信号の波形の非対称性を大きくする歪み又はノイズ成分が見られる。このようなアライメント信号にパターンマッチング法などの従来の信号処理を行うと、歪みの影響でマーク要素の中心位置がずれて計測される。
【００４４】
図２７は、アライメント信号の波形に生じた歪みにより一部のマーク要素の波形が他のマーク要素の波形と異なっていることを示す図である。図２７は、図２５に示すアライメントマーク１８０Ｂから検出されるアライメント信号から各マーク要素１８１Ｂの波形を抽出し（即ち、アライメント信号をマーク要素１８１Ｂの間隔の２０μｍで分割し）、マーク要素１８１Ｂの間隔２０μｍに相当する画素分の差分を各マーク要素１８１Ｂの波形から引いたものを重ねている。なお、アライメントマーク１８０Ｂから検出されるアライメント信号から抽出される４つのマーク要素１８１Ｂの波形のうち、特徴的な２つの波形を図示し、他は実線とほぼ重なるため省略している。
【００４５】
図２７を参照するに、破線で示す一部のマーク要素１８１Ｂの波形が、実線で示す他のマーク要素１８１の波形に比べて、左右のマーク幅が異なっている。このような場合にも、例えば、従来の信号処理の１つであるパターンマッチング法を行うと中心位置のシフトが生じることがある。一部のマーク要素１８１Ｂの波形のシフトが全体のアライメントマーク１８０Ｂの位置ずれに影響してアライメント計測誤差が発生するのためである。
【００４６】
以下、図１乃至図１６を参照して、アライメント信号処理部１６０のマーク中心検出部１６３が行うデジタル信号処理として、本発明の位置検出方法１０００について説明する。図１は、本発明の一側面としての位置検出方法１０００を説明するためのフローチャートである。位置検出方法１０００は、複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する。
【００４７】
図１を参照するに、まず、複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得する（ステップ１００２）。複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報は、上述したように、アライメント信号からマーク要素の中心位置を検出し、複数のマーク要素間の所定のマーク間隔として取得される。
【００４８】
次に、ステップ１００２で取得した複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択する（ステップ１００４）。そして、ステップ１００４で選択された所定の精度を有する位置情報を用いて被検出体の位置を算出する（ステップ１００６）。位置検出方法１０００は、精度の劣る位置情報を除去して、所定の精度を有する位置情報のみを被検出体の位置の検出に用いていると換言することができる。また、除去した精度の劣る位置情報を、所定の精度を有する位置情報から算出することも可能である。
【００４９】
以下、位置検出方法１０００の最も特徴的なステップ１００４の位置情報の選択について説明する。
【００５０】
図２は、３つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。図２を参照するに、ＭＫ１乃至ＭＫ３は３つの隣接したマーク要素、Ｘ１乃至Ｘ３は信号処理を行った結果のマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の中心位置座標、Ｌ１はマーク要素ＭＫ１とマーク要素ＭＫ２の中心位置座標間の間隔（マーク間隔）を表し、Ｌ１＝Ｘ２−Ｘ１で計算できる。同様に、Ｌ２はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ２のマーク間隔、Ｌ２１はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ１のマーク間隔を表している。なお、中心位置座標は、右方向に増加するものとする。
【００５１】
計測が正常に行われてマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３に異常が無い場合、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３に倍率がかかっていなければ設計上のマーク間隔Ｌ０になるので、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ０、Ｌ２１＝２Ｌ０となる。これらの基本的なマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の特徴量である一定のマーク間隔を利用して計測精度を判定することができる。かかる判定をアライメントマークを構成するマーク要素の組み合わせで行うことにより異常なマーク要素又は計測による誤差が大きいマーク要素を即時に判定することが可能となる。
【００５２】
マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３のマーク間隔の設計値がＬ０（単位μｍ）である場合、装置の特有の倍率などがかかるために予め校正した基準値をＬ、許容するマーク間隔の誤差量（ずれ量）をδＬとすると、以下に示す数式４乃至数式６を用いることにより、３つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３から異常なマーク要素を判別することが可能となる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
【数５】
【００５５】
【数６】
【００５６】
図３は、アライメントマークを構成する３つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の異常を判別した結果を示す図である。図３では、数式４、数式５及び数式６のそれぞれについて、満足する場合を○、満足しない場合を×と記載している。
【００５７】
図３を参照するに、数式４が×、数式５が×、数式６が○の場合がマーク要素ＭＫ２を異常と判別する条件となる。数式４が×、数式５が○、数式６が×の場合がマーク要素ＭＫ１を異常と判別する条件となる。数式４が○、数式５が×、数式６が×の場合がマーク要素ＭＫ３を異常と判別する条件となる。これらの判別を基本形としてアライメントマークを構成するマーク要素全てに計測精度の判定を行う。なお、かかる判別アルゴリズムは、一般的なＩＦ Ｔｈｅｎ Ｅｌｓｅのような、ソフト上での判別文を用いて容易に判定することができる。
【００５８】
図４は、８つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。図４を参照するに、ＭＫ１乃至ＭＫ８は８つの隣接したマーク要素、Ｘ１乃至Ｘ８は信号処理を行った結果のマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の中心位置座標、Ｌ１はマーク要素ＭＫ１とマーク要素ＭＫ２の中心位置座標間の間隔（マーク間隔）を表し、Ｌ１＝Ｘ２−Ｘ１で計算できる。同様に、Ｌ２はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ２のマーク間隔、Ｌ３はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ４のマーク間隔、Ｌ４はマーク要素ＭＫ４とマーク要素ＭＫ５のマーク間隔、Ｌ５はマーク要素ＭＫ５とマーク要素ＭＫ６のマーク間隔、Ｌ６はマーク要素ＭＫ６とマーク要素ＭＫ７のマーク間隔、Ｌ７はマーク要素ＭＫ６とマーク要素ＭＫ７のマーク間隔、Ｌ２１はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ１のマーク間隔、Ｌ３２はマーク要素ＭＫ４とマーク要素ＭＫ２のマーク間隔、Ｌ４３はマーク要素ＭＫ５とマーク要素ＭＫ３のマーク間隔、Ｌ５４はマーク要素ＭＫ６とマーク要素ＭＫ４のマーク間隔、Ｌ６５はマーク要素ＭＫ７とマーク要素ＭＫ５のマーク間隔、Ｌ７６はマーク要素ＭＫ８とマーク要素ＭＫ６のマーク間隔を表している。なお、中心位置座標は、右方向に増加するものとする。
【００５９】
かかる場合は、マーク間隔Ｌ１、マーク間隔Ｌ２及びマーク間隔Ｌ２１の組み合わせから順次右側へマーク間隔Ｌ６、マーク間隔Ｌ７及びマーク間隔Ｌ７６の組み合わせの６種類を調べることでマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の異常を検出することができる。また、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の中心位置座標Ｘ１乃至Ｘ８は、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の個数が多いほど、平均化効果でばらつきに対する誤差を減らすことができる。
【００６０】
図５は、アライメントマークを構成する８つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８のうち３つの隣接したマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の異常を判別した結果を示す図である。なお、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の異常の判別には数式４乃至数式６を用い、マーク間隔の計測値と設計上の基準値からの残差が１．５（即ち、δＬ＝１．５）を越えた場合を異常と判別して×を記載している。
【００６１】
図５を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３から得られる中心位置座標Ｘ３の計測結果が異常という判定が示されている。図６は、図５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図６を参照しても、ウェハ番号Ｗ６のマーク間隔｜Ｌ２−Ｌ｜及び｜Ｌ２１−Ｌ｜のずれ量が最も大きく、マーク要素ＭＫ３に異常をきたしていることがわかる。
【００６２】
また、同じアライメントマークを構成する１つ右側のマーク要素ＭＫ２乃至ＭＫ４の組み合わせに対して同様に判定を行った結果を示す。図７は、アライメントマークを構成する８つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８のうち３つの隣接したマーク要素ＭＫ２乃至ＭＫ４の異常を判別した結果を示す図である。図８は、図７に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図７及び図８を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３に異常があることがわかる。
【００６３】
これらの判別で求められたプロセスデータを、例えば、データベースとして蓄積することで、プロセス管理上の有益なデータを作成することができる。また、かかるデータベースは、異常なマーク要素の検出データ及び定量データを含み、ＷＩＳの定量化にとって有効である。
【００６４】
異常があるマーク要素からの計測値は除去し、残りのマーク要素からの計測値のみを用いてアライメントを行ってもよいし、残りのマーク要素からの計測値から異常があるマーク要素の計測値に対応する値を算出して代用してもよい。いずれにしても所定の精度を有する計測値のみをアライメントに用いる。
【００６５】
図９は、図４に示すアライメントマークのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８のマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値を示す図である。図９を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３に異常があることがわかる。
【００６６】
そこで、マーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２の計測値及びマーク要素ＭＫ４の中心位置Ｘ４の計測値から、以下の数式７で示されるマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３’を算出する。
【００６７】
【数７】
【００６８】
そして、マーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３の計測値の代わりに、所定の精度を有するマーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２の計測値及びマーク要素ＭＫ４の中心位置Ｘ４の計測値から算出した中心位置座標Ｘ３’を用いてアライメントマーク全体の中心座標Ｘａを求める。中心位置座標Ｘ３’を代用することで、誤差を含む中心位置座標Ｘ３を除去することができる。なお、かかる中心座標Ｘａは、以下の数式８で表される。
【００６９】
【数８】
【００７０】
図１０は、図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式７を適用した結果を示す図である。図１１は、図１０に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図１０及び図１１を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３に関連するマーク間隔が改善されていることがわかる。
【００７１】
同様に、ウェハ番号Ｗ５のマーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４に異常がある場合、マーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２、マーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３及び設計上の基準値Ｌから、以下の数式９で示されるマーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４’を算出する。
【００７２】
【数９】
【００７３】
そして、マーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４の代わりに、所定の精度を有するマーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２及びマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３から算出した中心位置座標Ｘ４’を用いてアライメントマーク全体の中心座標Ｘａを求める。中心位置座標Ｘ４’を代用することで、誤差を含む中心位置座標Ｘ４を除去することができる。なお、かかる中心座標Ｘａは、以下の数式１０で表される。
【００７４】
【数１０】
【００７５】
また、中心位置座標Ｘ４’は、マーク要素ＭＫ１の中心位置座標Ｘ１、マーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２及びマーク間隔Ｌ２の平均値から以下に示す数式１１を用いて算出することもできる。
【００７６】
【数１１】
【００７７】
アライメントマーク全体の中心座標Ｘａは、以下の数式１２で表される。この場合も、誤差を含む中心位置座標Ｘ４’を代用することで、誤差を含む中心位置座標Ｘ４を除去することができる。
【００７８】
【数１２】
【００７９】
図１２は、図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式１０又は数式１１を適用した結果を示す図である。図１３は、図１２に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図１２及び図１３を参照するに、ウェハ番号Ｗ５のマーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４に関連するマーク間隔が改善されていることがわかる。
【００８０】
このように、アライメントマークを構成するマーク要素の異常を判定し、所定の精度を有する計測値のみを選択することで、信号処理による精度劣化を防止することができる。また、異常なマーク要素から計測された計測値を用いずに、他のマーク要素から計測された所定の精度を有する計測値から算出される値を代用することもできる。
【００８１】
アライメント計測は、例えば、図１４に示すように、ショット５、ショット２１、ショット２９、ショット３９で行い、例えば、ショット２９で異常が発生した場合、代替ショット２８でアライメント計測を行う。ここで、図１４は、アライメント計測を行うショットのレイアウトを示す概略平面図である。なお、数字は露光を行う順序を示している。
【００８２】
代替ショットでのアライメント計測についても異常かどうかの判定を行い、異常と判定されなければ、その計測値を採用する。異常と判定されれば、再度アライメント計測を行い、予め設定された規定回数（例えば、３回）を越えても異常のままであれば、例えば、アラーム等を発生するようにし、異常がなくなればその計測値を採用するようにすればよい。
【００８３】
アライメントマーク全体からアライメント計測精度を判定することも可能である。図１７に示すアライメント信号処理部１６０で信号処理を行って、図２１に示す４つのマーク要素の中心位置座標Ｘ１乃至Ｘ４から、以下に示す数式１３を用いてマーク間隔Ｌ１乃至Ｌ３を算出する。
【００８４】
【数１３】
【００８５】
マーク間隔Ｌ１乃至Ｌ３は、検出誤差及びＷＩＳが発生していない場合において、図１９及び図２０で示したようにマーク間隔の設計値である２０μｍで一定となる。これを利用して計測精度を判定することができる。
【００８６】
マーク間隔の設計上の基準値Ｌ＝２０μｍに対して、マーク間隔Ｌ１乃至Ｌ３に偏りがないことが望ましい。しかし、アライメント信号の一部に歪みがある場合には、マーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるＬ１−Ｌ、Ｌ２−Ｌ、Ｌ３−Ｌのうちいずれかが大きいことになる。
【００８７】
マーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の２乗平均誤差ｓｑを求めることで、アライメントマーク全体の計測誤差及びずれ量を含んだ誤差量がわかる。２乗平均誤差ｓｑは、以下の数式１４から求めることができる。
【００８８】
【数１４】
【００８９】
但し、Ｎは、マーク間隔の数である。
【００９０】
数式１４が示すように、マーク間隔の数Ｎが多いほど、精度はＮ１／２で上がることがわかる。
【００９１】
図１５は、図１９に示すアライメントマーク１８０Ａのマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差と２乗平均誤差の数値を示す図である。図１６は、図１５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量及び２乗平均誤差としてプロットしたグラフである。
【００９２】
図１５及び図１６を参照するに、ウェハ番号Ｗ６の偏りが大きいことがわかる。ここで、異常値の判定に以下の数式１５を用いて、ＪＯＢ設定でδｐ以上の計測値を以上として検出することができる。
【００９３】
【数１５】
【００９４】
本実施形態では、δｐ＝１．５以上の計測値を以上と設定することで、ウェハ番号Ｗ６の計測値が設定範囲を越えた異常値であることがわかる。アライメントマークに異常値が検出された場合には、更に、アライメントマークを構成するマーク要素のどれに異常が発生しているのかを数式１４及び数式１５から判別することができる。また、異常なマーク要素と判別されたマーク要素は用いず、隣接したマーク要素からの計測値又は設計上の基準値を代用することで精度劣化を防止することができる。
【００９５】
本発明の位置検出方法１０００によれば、アライメントマークの検出精度をその場で判定することができ、更に、その精度を悪化させる計測値を取り除くことで全体の精度の悪化とスループットの低下を防止することができる。
【００９６】
また、従来のように、露光した後の重ね合わせ検査を基に、オフセット補正を行う方法もあるが、露光前に精度を判定できる本発明の方法の方が、即時に精度劣化に対応することが可能である。また、オフセット補正値が常に同じにならない場合、従来の方法では細やかな補正ができないが、本発明では、効果的な対応を行うことができる。
【００９７】
また、ＡＧＡのショットをウェハ全体で異常検出する方法は従来から行われているが、本発明は、各ＡＧＡショットの計測結果を即時に判定し、更に、アライメントマークを構成するどのマーク要素が異常であるかを即時に判定することが大きな特徴である。なお、本発明は、ＡＧＡの様なグローバルアライメント方式だけに効果のあるものではなく、ダイバイダイ方式に対しても効果的である。
【００９８】
露光において、図示しない照明装置から発せられた光束は、レチクル１１０を、例えば、ケーラー照明する。レチクル１１０を通過してレチクルパターンを反映する光は、投影光学系１２０によりウェハ１３０上に結像される。露光装置１００は、位置検出方法１０００によって高精度にアライメントが行われているので、高いスループットで経済性よくデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤ素子など）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【００９９】
次に、図２８及び図２９を参照して、上述の露光装置１００を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図２８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（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェ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ェ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、これが出荷（ステップ７）される。
【０１００】
図２９は、ステップ４のウェ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、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１００によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。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ェハ上に多重に回路パターンが形成される。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１００を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。
【０１０１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、ウェハの位置合わせだけでなく、レチクルの位置合わせなどにも適用することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明によれば、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一側面としての位置検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】３つのマーク要素で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。
【図３】アライメントマークを構成する３つのマーク要素の異常を判別した結果を示す図である。
【図４】８つのマーク要素で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。
【図５】アライメントマークを構成する８つのマーク要素のうち３つの隣接したマーク要素の異常を判別した結果を示す図である。
【図６】図５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図７】アライメントマークを構成する８つのマーク要素のうち３つの隣接したマーク要素の異常を判別した結果を示す図である。
【図８】図７に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図９】図４に示すアライメントマークのマーク要素のマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値を示す図である。
【図１０】図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式７を適用した結果を示す図である。
【図１１】図１０に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図１２】図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式１０又は数式１１を適用した結果を示す図である。
【図１３】図１２に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図１４】アライメント計測を行うショットのレイアウトを示す概略平面図である。
【図１５】図１９に示すアライメントマークのマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差と２乗平均誤差の数値を示す図である。
【図１６】図１５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量及び２乗平均誤差としてプロットしたグラフである。
【図１７】本発明の一側面としての露光装置の例示的一形態を示す概略ブロック図である。
【図１８】図１７に示すアライメント光学系の主要な構成要素を示す概略光路図である。
【図１９】図１７に示すアライメントマークの概略図である。
【図２０】図１７に示すアライメントマークの概略図である。
【図２１】図１９及び図２０に示すアライメントマークを光学的に検出した場合の典型的な検出結果を示すグラフである。
【図２２】図１７に示すアライメント信号処理部が内蔵する主な機能モジュールを示す概略ブロック図である。
【図２３】図２２に示す検出結果に適用可能なパターンマッチング法を示す図である。
【図２４】ＷＩＳの影響によりマーク要素の計測位置がシフトする場合の一例を示す概略模式図である。
【図２５】４つのマーク要素のうち、左から３つ目の右側のエッジにグレインが付着した場合のアライメントマークの概略平面図である。
【図２６】図２５に示すアライメントマークから検出される一部に歪みが発生したアライメント信号の波形の一例を示すグラフである。
【図２７】アライメント信号の波形に生じた歪みにより一部のマーク要素の波形が他のマーク要素の波形と異なっていることを示す図である。
【図２８】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。
【図２９】図２８のステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【符号の説明】
１００ 露光装置
１１０ レチクル
１２０ 投影光学系
１３０ ウェハ
１４０ ウェハステージ
１４５ ウェハチャック
１５０ アライメント光学系
１５１ アライメント光源
１５２及び１５５ ビームスプリッタ
１５３及び１５４ レンズ
１５６及び１５７ ＣＣＤセンサー
１６０ アライメント信号処理部
１６１ Ａ／Ｄ変換器
１６２ 記録装置
１６３ マーク中心検出部
１６４ ＣＰＵ
１６５ 中心部
１７０ 制御部
１８０ アライメントマーク
１８２ マーク要素
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、位置検出方法に係り、特に、ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、ＣＣＤ、磁気ヘッド等の各種デバイスを製造する際に使用される露光装置において、ウェハ等の物体の位置を検出する位置検出方法に関する。本発明は、例えば、レチクルとウェハの相対的な位置合わせなどに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子の微細化への要求はますます高くなってきている。半導体素子を製造するためのフォトリソグラフィー（焼き付け）方法としては、レチクル又はマスク（本出願では、これらの用語を交換可能に使用する。）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。
【０００３】
投影露光装置の解像度（転写できる最小の寸法）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。このため、近年の半導体素子の微細化への要求に伴い、投影光学系のＮＡを上げると共に、露光光源は超高圧水銀ランプ（ｉ線（波長約３６５ｎｍ））からＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）、更に、より短波長紫外線光のＦ２レーザー（波長約１５７ｎｍ）やシンクロトロン（ＳＲ：Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）光と短波長化が進められている。
【０００４】
また、投影露光装置では、回路パターンの微細化（即ち、解像度の向上）に伴い、レチクルとウェハの相対的な位置を合わせるアライメントについても高精度化が要求されている。アライメントに必要な精度は、典型的には、回路パターンの１／３程度であり、例えば、１ＧビットＤＲＡＭの回路パターンのデザインルールを０．１８μｍとすると、６０ｎｍ以下のオーバーレイ精度が必要とされる。ここで、オーバーレイとは、露光領域全体のアライメントを意味するものである。
【０００５】
半導体産業の現状において、ウェハでの重ね合わせ精度を高精度化することは、半導体素子の性能及び製造の歩留まり（スループット）を向上させる上で露光装置に求められる必須の課題であると言える。そこで、アライメント光学系を用いてウェハ等の上に形成されたアライメントマークの位置を光学的に検出し、かかる検出結果に基づいてウェハをレチクルに対して位置決めを行っている。具体的には、アライメントマークから得られるアライメント信号に信号処理を施すことでアライメントマークの位置を検出する。かかる信号処理としては、アライメント信号の対称性を利用した折り返し対称処理など様々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
このような位置検出を全ての露光ポジション（ショット）で毎回行うアライメント方式（「ダイバイダイ方式」とも呼ばれる。）もあるが、通常は、スループットに優れたグローバルアライメントが行われる。グローバルアライメントとは、ウェハ内の複数のサンプルショットの位置座標を計測し、その計測値を統計処理してウェハのシフト、倍率、ローテーション誤差を算出し、この誤差を考慮してウェハの座標系を補正した後、各ショットへのステップ移動を行う、というものである。また、最近では、グローバルアライメントを発展させたアドバンストグローバルアライメント（ＡＧＡ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｇｌｏｂａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が行われており、このＡＧＡは、レーザー干渉計が設置されたＸＹステージ精度頼りでウェハの位置計測を行うグローバルアライメントのことで、ウェハ倍率、ウェハ回転、シフト量を求めると共に異常値はね等の統計処理を行うものである。なお、異常値はねとは、ショットからの計測値から平均値と標準偏差を求め、偏差が大きいショットからの計測値を除去することである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−０９４３１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセスなどの特殊な半導体製造技術の導入によって、ウェ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、アライメント精度が劣化するという問題が発生し得る。これは、回路パターンの微細化に伴い、回路パターンの線幅とアライメントマークの線幅との差が大きくなり、成膜、エッチング、ＣＭＰなどのプロセス条件が微細な回路パターン（線幅０．１μｍ乃至０．１５μｍ）に最適化され、線幅の大きなアライメントマーク（線幅０．６μｍ乃至４．０μｍ）に対しては最適化されないためである。
【０００９】
アライメントマークの線幅を回路パターンの線幅に合わせることも考えられるが、アライメント光学系の分解能が足りないために信号強度又はコントラストが減少し、アライメント信号の安定性が悪化する。また、回路パターンと同等の線幅のアライメントマークを検出するアライメント光学系を構成するためには、大きなＮＡ及び短波長のアライメント光源が必要となり、装置コストが高くなるなどの別の問題を生じてしまう。
【００１０】
更に、ウェハプロセス起因の誤差（ＷＩＳ：Ｗａｆｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）によって検出結果に大きな誤差（アライメント信号の非対称性）を生じ、アライメント精度が劣化してしまう場合がある。その要因は、アライメントマークの非対称性やレジストの非対称性などが挙げられる。また、装置（露光装置及びアライメント光学系）起因の誤差（ＴＩＳ：Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）との相互作用による誤差（ＴＩＳ−ＷＩＳ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）もアライメント精度を劣化させてしまう。
【００１１】
ＡＧＡは、このような誤差を含む計測値に対して異常値はねを行い、更に、ショット異常が多発する場合には、代替ショットで計測を行っている。しかし、代替ショットを計測しても、同様にＷＩＳにより誤差が発生し、計測誤差量は少ないとはいえ完全に問題を解消できない場合がある。
【００１２】
また、露光後に重ね合わせ結果を確認し、重ね合わせ誤差をオフセット補正することも行っているが、オフセット補正はスループットを低下させることに繋がるためロット毎やプロセス毎に行うのが現実的であり、完全に問題を解消できない場合がある。重ね合わせ結果を基に、どのショットの誤差が多いのかを分析することは可能であるが、多くの時間を要してしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出方法を提供することを例示的目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての位置検出方法は、複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出方法であって、前記複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得するステップと、前記取得ステップで取得した複数の前記位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択するステップと、前記選択ステップで選択された前記所定の精度を有する位置情報を用いて前記被検出体の位置を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての位置検出方法について説明する。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、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１７は、本発明の一側面としての露光装置１００の例示的一形態を示す概略ブロック図である。露光装置１００は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式でレチクルに形成された回路パターンをウェハに露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィー工程に好適である。ここで、「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、レチクルに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してレチクルパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動して、次の露光領域に移動する露光方法である。「ステップ・アンド・リピート方式」とは、ウェハの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次の露光領域に移動する露光方法である。
【００１８】
図１７を参照するに、露光装置１００は、所望のパターン（回路パターン等）の描画されたレチクル１１０を縮小投影する投影光学系１２０と、前工程で下地パターン及びアライメントマーク１８０の形成されたウェハ１３０を保持するウェハチャック１４５と、ウェハ１３０を所定の位置に位置決めするウェハステージ１４０と、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置を計測するアライメント光学系１５０と、アライメント信号処理部１６０と、制御部１７０とを有する。なお、図１７においては、光源や光源からの光でレチクル１１０を照明する照明光学系は省略されている。制御部１７０は、図示しないＣＰＵ、メモリを有し、露光装置１００の動作を制御する。制御部１７０は、図示しない照明装置、図示しないレチクルステージ、ウェハステージ１４０と、アライメント信号処理部１６０と電気的に接続されている。制御部１７０は、アライメント信号処理部１６０からのアライメントマークの位置情報に基づいて、ウェハステージ１４０を介してウェハ１３０の位置決めを行う。
【００１９】
まず、アライメントマーク１３０の検出原理について説明する。図１８は、図１７に示すアライメント光学系１５０の主要な構成要素を示す概略光路図である。図１８を参照するに、アライメント光源１５１からの照明光は、ビームスプリッタ１５２で反射し、レンズ１５３を通り、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０を照明する。アライメントマーク１８０からの光（反射光、回折光）は、レンズ１５３、ビームスプリッタ１５２、レンズ１５４を通り、ビームスプリッタ１５５で分割され、それぞれＣＣＤセンサー１５６及び１５７で受光される。
【００２０】
ここで、アライメントマーク１３０は、レンズ１５３及び１５４により１００倍程度の結像倍率で拡大され、ＣＣＤセンサー１５６及び１５７に結像される。ＣＣＤセンサー１５６及び１５７はそれぞれ、アライメントマーク１８０のＸ方向のずれ計測用、アライメントマーク１８０のＹ方向のずれ計測用になっており、光軸に対して９０度回転させて設置されている。ＣＣＤセンサーとしてラインセンサーを使用してもよく、この場合、計測方向と垂直方向にのみにパワーを持つシリンドリカルレンズにより、計測方向と垂直方向に集光して光学的に積分し、平均化するのが好ましい。Ｘ方向及びＹ方向の計測原理は同じなので、Ｘ方向の位置計測について説明する。
【００２１】
アライメントマーク１８０は、各ショットのスクライブライン上に配置されており、例えば、図１９及び図２０に示す形状のアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを使用することができる。なお、アライメントマーク１８０は、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを総括するものとする。ここで、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、図１７に示すアライメントマーク１８０Ａの概略平面図及び概略断面図であり、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、図１７に示すアライメントマーク１８０Ｂの概略平面図及び概略断面図である。図１９及び図２０において、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂは、等間隔で配置された４つのマーク要素１８２Ａ及び１８２Ｂを含んでいる。なお、実際には、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂの上にレジストが塗布されているが、図１９及び図２０では図示を省略している。
【００２２】
アライメントマーク１８０Ａは、図１９（ａ）に示すように、計測方向であるＸ方向に４μｍ、非計測方向であるＹ方向に２０μｍの矩形のマーク要素１８２ＡをＸ方向に２０μｍピッチで４つ並べている。マーク要素１８２Ａの断面構造は、図１９（ｂ）に示すように、凹形状をしている。一方、アライメントマーク１８０Ｂは、図２０に示すように、図１９に示すマーク要素１８２Ａの輪郭部分を０．６μｍの線幅で置き換えたマーク要素１８２Ｂを４つ並べている。
【００２３】
図１９及び図２０のどちらのアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを用いても、アライメント光学系１５０のレンズ１５３及び１５４のＮＡに入らない大きな角度のエッジ部での散乱光の発生や、エッジ部での散乱光の干渉により、ＣＣＤセンサー１５６で撮像された像は、図２１のようになるのが一般的である。アライメントマーク１８０Ａはその輪郭部が暗く、アライメントマーク１８０Ｂは凹部が暗く又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像であり、その特徴と言える。ここで、図２１は、図１９及び図２０に示すアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを光学的に検出した場合の典型的な検出結果を示すグラフである。
【００２４】
このように撮像されたアライメントマーク１８０の画像はアライメント信号処理部１６０を介して、後述するようなアライメント信号処理が行われる。図２２は、図１７に示すアライメント信号処理部１６０が内蔵する主な機能モジュールを示す概略ブロック図である。
【００２５】
図２２を参照するに、ＣＣＤセンサー１５６及び１５７からのアライメント信号は、Ａ／Ｄ変換器１６１を通してデジタル化される。デジタル化されたアライメント信号は、記録装置１６２に内蔵される図示しない各種信号処理回路によってノイズ成分を除去され、内蔵しているメモリに記録される。マーク中心検出部１６３は、記録されたデジタル化したアライメント信号にデジタル信号処理を行う。マーク中心検出部１６３は、デジタル化したアライメント信号用の演算素子によって、後述する位置検出方法１０００を行い、アライメント信号の中心位置を検出する。ＣＰＵ１６４は、Ａ／Ｄ変換器１６１、記録装置１６２、マーク中心検出部１６３と接続しており、コントロール信号を出力して動作制御を行っている。通信部１６５は、図１７に示す制御部１７０と通信を行い、必要なデータ、コントロール指令等のやり取りを行っている。
【００２６】
マーク中心検出部１６３が行うデジタル信号処理はアライメント信号のエッジ部分を検出し、かかるエッジ間の距離を計算する方法や正規化相関によるパターンマッチング法など各種提案されており、本発明もデジタル信号処理の一例としてアライメント信号の中心位置を検出する位置検出方法１０００を提案するものである。なお、信号源は、２次元信号でも１次元信号でもよい。２次元画像の水平方向の画素を垂直方向にヒストグラムを取り、画像のボーティング処理を行い主要成分で平均化することで２次元画像を１次元画像に変換することが可能となる。本発明の提案するデジタル信号処理の場合は、Ｘ方向及びＹ方向の計測は独立の構成であるので、位置決めの基本となる信号処理は１次元での信号処理で決められる。例えば、ＣＣＤセンサー１５６及び１５７上の２次元画像を、デジタル信号で積算して平均化を行って、１次元のライン信号に変換する。
【００２７】
まず、本発明者は、従来のデジタル信号処理としてパターンマッチング法について鋭意検討した結果、様々な問題が生じることを発見した。以下にそれを示す。
【００２８】
パターンマッチング法は、図２３（ｂ）に示す取得した信号Ｓと、図２３（ａ）に示す予め装置で持っているモデル信号（テンプレート）Ｔとの相関演算で、最も相関の高い位置をアライメントマークの中心として検出する。図２３（ｃ）に示す相関値の関数Ｅにおいて、ピーク画像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画素乃至１／５０画素の分解能を達成できる。ここで、図２３は、図２２に示す検出結果に適用可能なパターンマッチング法を示す図である。
【００２９】
パターンマッチング法は、以下の数式１で表される。
【００３０】
【数１】
ここで、ＳはＣＣＤセンサーで取得した信号、Ｔはモデル信号、Ｅは相関結果である。信号Ｓ、モデル信号Ｔ、相関値Ｅの関係を図示すると、図２３のようになる。図２３では、４つのマーク要素１８１のうち、１つのマーク要素像についての処理方法を示している。ここでは、相関値Ｅが最大となる位置をマーク要素像の中心位置としている。なお、モデル信号Ｔとしては、波形の対称性を利用して、信号Ｓの左半分を折り返して相関演算を行い、アライメントマークの位置を決定する方法も提案されている。また、相関値Ｅの精度を上げるために、スプライン関数又はＧａｕｓｓ関数などで補間してピークになるＸ方向の座標位置を求め、かかる座標位置をマーク要素１８１の中心位置としてもよい。
【００３２】
以下同様に、他の３つのマーク要素像についても、パターンマッチング法により、各マーク要素像のＣＣＤセンサー上での位置を検出する。
【００３３】
図２１は、デジタル化されたアライメント信号をマーク計測位置方向に積算して平均化したアライメント信号である。光学的に集光して１次元のラインセンサーを使用すれば、画像処理を行った２次元画像を１次元画像に変換する処理は不要である。
【００３４】
パターンマッチング法により、マーク要素像の中心位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４を求める（単位は画素）。４つのマーク要素像の中心位置Ｘ１乃至Ｘ４を平均することで、以下の数式２で示すアライメントマーク１８０全体の中心座標Ｘａが求まる。
【００３５】
【数２】
その結果、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置ずれＸｗは、アライメント光学系１５０の結像倍率をＭ、ＣＣＤセンサー１５６のアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすれば、以下の数式３で表される。
【００３７】
【数３】
例えば、アライメント光学系１５０の結像倍率Ｍ＝１００、画素ピッチＰｘ＝２４μｍの場合、ＣＣＤセンサー１５６上で１画素の位置ずれは、ウェハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置ずれＸｗとして、２４μｍ／１００＝２４０ｎｍに相当する。
【００３９】
このようなパターンマッチング法に代表される従来の信号処理は、ＷＩＳの影響による精度劣化の検出を行っておらず、ＷＩＳによる影響を見逃していた。従来の信号処理は、マーク要素毎の画像計測を行い、マーク要素の個数分の計測結果を平均化することで部分的なマーク要素の欠陥による計測精度の劣化を抑えている（平均化効果）。しかしながら、近年の半導体素子の微細化に伴う高精度なアライメントの要求に対して、従来の平均化だけでは精度的に厳しい場合があることが判明した。
【００４０】
そこで、本発明者は、信号処理として、従来の平均化効果による方法ではなく、誤差を含む情報を除去し、所定の精度を有する情報のみを用いることで計測精度の劣化を防止する位置検出方法１０００を提案する。本発明の位置検出方法１０００は、アライメントマークを構成する複数のマーク要素のうち、著しくマーク要素の中心位置がずれて計測される情報がある場合に好適である。位置検出方法１０００は、ＷＩＳ、具体的には、アライメントマークの非対称性形状によるアライメントエラーを発生させない信号処理である。
【００４１】
従来のパターンマッチング法による信号処理を行った場合、図２４に示すように、ＷＩＳによりマーク要素の中心位置の検出座標にシフトが生じる場合がある。図２４を参照するに、レジストが下地にエッチングされたパターンの中心に対して、非対称に右側にシフトして塗布されている。ここで、図２４は、ＷＩＳ（アライメント非対称性）の影響によりマーク要素の計測位置がシフトする場合の一例を示す概略模式図である。
【００４２】
このような場合、検出されるアライメント信号を４つのマーク要素毎に比較すると、例えば、４つのマーク要素のうち１つだけがＷＩＳの影響で波形歪みが大きくなることになる。これは、１つのマーク要素の周辺にグレインが付着した場合もあるし、ウェハプロセスの不良により部分的にレジストの膜厚が変化して反射率が変わっている場合も考えられる。
【００４３】
図２５は、４つのマーク要素１８１Ｂのうち、左から３つ目の右側のエッジにグレインＧＲが付着した場合のアライメントマーク１８０Ｂの概略平面図である。このようなグレインＧＲの影響で、検出されるアライメント信号の一部に歪みが大きく現れることになる。図２６は、図２５に示すアライメントマーク１８０Ｂから検出される一部に歪みが発生したアライメント信号の波形の一例を示すグラフである。図２６を参照するに、４つのマーク要素１８１Ｂのうち、３つ目のマーク要素１８１Ｂにアライメント信号の波形の非対称性を大きくする歪み又はノイズ成分が見られる。このようなアライメント信号にパターンマッチング法などの従来の信号処理を行うと、歪みの影響でマーク要素の中心位置がずれて計測される。
【００４４】
図２７は、アライメント信号の波形に生じた歪みにより一部のマーク要素の波形が他のマーク要素の波形と異なっていることを示す図である。図２７は、図２５に示すアライメントマーク１８０Ｂから検出されるアライメント信号から各マーク要素１８１Ｂの波形を抽出し（即ち、アライメント信号をマーク要素１８１Ｂの間隔の２０μｍで分割し）、マーク要素１８１Ｂの間隔２０μｍに相当する画素分の差分を各マーク要素１８１Ｂの波形から引いたものを重ねている。なお、アライメントマーク１８０Ｂから検出されるアライメント信号から抽出される４つのマーク要素１８１Ｂの波形のうち、特徴的な２つの波形を図示し、他は実線とほぼ重なるため省略している。
【００４５】
図２７を参照するに、破線で示す一部のマーク要素１８１Ｂの波形が、実線で示す他のマーク要素１８１の波形に比べて、左右のマーク幅が異なっている。このような場合にも、例えば、従来の信号処理の１つであるパターンマッチング法を行うと中心位置のシフトが生じることがある。一部のマーク要素１８１Ｂの波形のシフトが全体のアライメントマーク１８０Ｂの位置ずれに影響してアライメント計測誤差が発生するのためである。
【００４６】
以下、図１乃至図１６を参照して、アライメント信号処理部１６０のマーク中心検出部１６３が行うデジタル信号処理として、本発明の位置検出方法１０００について説明する。図１は、本発明の一側面としての位置検出方法１０００を説明するためのフローチャートである。位置検出方法１０００は、複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する。
【００４７】
図１を参照するに、まず、複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得する（ステップ１００２）。複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報は、上述したように、アライメント信号からマーク要素の中心位置を検出し、複数のマーク要素間の所定のマーク間隔として取得される。
【００４８】
次に、ステップ１００２で取得した複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択する（ステップ１００４）。そして、ステップ１００４で選択された所定の精度を有する位置情報を用いて被検出体の位置を算出する（ステップ１００６）。位置検出方法１０００は、精度の劣る位置情報を除去して、所定の精度を有する位置情報のみを被検出体の位置の検出に用いていると換言することができる。また、除去した精度の劣る位置情報を、所定の精度を有する位置情報から算出することも可能である。
【００４９】
以下、位置検出方法１０００の最も特徴的なステップ１００４の位置情報の選択について説明する。
【００５０】
図２は、３つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。図２を参照するに、ＭＫ１乃至ＭＫ３は３つの隣接したマーク要素、Ｘ１乃至Ｘ３は信号処理を行った結果のマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の中心位置座標、Ｌ１はマーク要素ＭＫ１とマーク要素ＭＫ２の中心位置座標間の間隔（マーク間隔）を表し、Ｌ１＝Ｘ２−Ｘ１で計算できる。同様に、Ｌ２はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ２のマーク間隔、Ｌ２１はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ１のマーク間隔を表している。なお、中心位置座標は、右方向に増加するものとする。
【００５１】
計測が正常に行われてマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３に異常が無い場合、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３に倍率がかかっていなければ設計上のマーク間隔Ｌ０になるので、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ０、Ｌ２１＝２Ｌ０となる。これらの基本的なマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の特徴量である一定のマーク間隔を利用して計測精度を判定することができる。かかる判定をアライメントマークを構成するマーク要素の組み合わせで行うことにより異常なマーク要素又は計測による誤差が大きいマーク要素を即時に判定することが可能となる。
【００５２】
マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３のマーク間隔の設計値がＬ０（単位μｍ）である場合、装置の特有の倍率などがかかるために予め校正した基準値をＬ、許容するマーク間隔の誤差量（ずれ量）をδＬとすると、以下に示す数式４乃至数式６を用いることにより、３つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３から異常なマーク要素を判別することが可能となる。
【００５３】
【数４】
【数５】
【数６】
図３は、アライメントマークを構成する３つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の異常を判別した結果を示す図である。図３では、数式４、数式５及び数式６のそれぞれについて、満足する場合を○、満足しない場合を×と記載している。
【００５７】
図３を参照するに、数式４が×、数式５が×、数式６が○の場合がマーク要素ＭＫ２を異常と判別する条件となる。数式４が×、数式５が○、数式６が×の場合がマーク要素ＭＫ１を異常と判別する条件となる。数式４が○、数式５が×、数式６が×の場合がマーク要素ＭＫ３を異常と判別する条件となる。これらの判別を基本形としてアライメントマークを構成するマーク要素全てに計測精度の判定を行う。なお、かかる判別アルゴリズムは、一般的なＩＦ Ｔｈｅｎ Ｅｌｓｅのような、ソフト上での判別文を用いて容易に判定することができる。
【００５８】
図４は、８つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。図４を参照するに、ＭＫ１乃至ＭＫ８は８つの隣接したマーク要素、Ｘ１乃至Ｘ８は信号処理を行った結果のマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の中心位置座標、Ｌ１はマーク要素ＭＫ１とマーク要素ＭＫ２の中心位置座標間の間隔（マーク間隔）を表し、Ｌ１＝Ｘ２−Ｘ１で計算できる。同様に、Ｌ２はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ２のマーク間隔、Ｌ３はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ４のマーク間隔、Ｌ４はマーク要素ＭＫ４とマーク要素ＭＫ５のマーク間隔、Ｌ５はマーク要素ＭＫ５とマーク要素ＭＫ６のマーク間隔、Ｌ６はマーク要素ＭＫ６とマーク要素ＭＫ７のマーク間隔、Ｌ７はマーク要素ＭＫ６とマーク要素ＭＫ７のマーク間隔、Ｌ２１はマーク要素ＭＫ３とマーク要素ＭＫ１のマーク間隔、Ｌ３２はマーク要素ＭＫ４とマーク要素ＭＫ２のマーク間隔、Ｌ４３はマーク要素ＭＫ５とマーク要素ＭＫ３のマーク間隔、Ｌ５４はマーク要素ＭＫ６とマーク要素ＭＫ４のマーク間隔、Ｌ６５はマーク要素ＭＫ７とマーク要素ＭＫ５のマーク間隔、Ｌ７６はマーク要素ＭＫ８とマーク要素ＭＫ６のマーク間隔を表している。なお、中心位置座標は、右方向に増加するものとする。
【００５９】
かかる場合は、マーク間隔Ｌ１、マーク間隔Ｌ２及びマーク間隔Ｌ２１の組み合わせから順次右側へマーク間隔Ｌ６、マーク間隔Ｌ７及びマーク間隔Ｌ７６の組み合わせの６種類を調べることでマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の異常を検出することができる。また、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の中心位置座標Ｘ１乃至Ｘ８は、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８の個数が多いほど、平均化効果でばらつきに対する誤差を減らすことができる。
【００６０】
図５は、アライメントマークを構成する８つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８のうち３つの隣接したマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の異常を判別した結果を示す図である。なお、マーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ３の異常の判別には数式４乃至数式６を用い、マーク間隔の計測値と設計上の基準値からの残差が１．５（即ち、δＬ＝１．５）を越えた場合を異常と判別して×を記載している。
【００６１】
図５を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３から得られる中心位置座標Ｘ３の計測結果が異常という判定が示されている。図６は、図５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図６を参照しても、ウェハ番号Ｗ６のマーク間隔｜Ｌ２−Ｌ｜及び｜Ｌ２１−Ｌ｜のずれ量が最も大きく、マーク要素ＭＫ３に異常をきたしていることがわかる。
【００６２】
また、同じアライメントマークを構成する１つ右側のマーク要素ＭＫ２乃至ＭＫ４の組み合わせに対して同様に判定を行った結果を示す。図７は、アライメントマークを構成する８つのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８のうち３つの隣接したマーク要素ＭＫ２乃至ＭＫ４の異常を判別した結果を示す図である。図８は、図７に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図７及び図８を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３に異常があることがわかる。
【００６３】
これらの判別で求められたプロセスデータを、例えば、データベースとして蓄積することで、プロセス管理上の有益なデータを作成することができる。また、かかるデータベースは、異常なマーク要素の検出データ及び定量データを含み、ＷＩＳの定量化にとって有効である。
【００６４】
異常があるマーク要素からの計測値は除去し、残りのマーク要素からの計測値のみを用いてアライメントを行ってもよいし、残りのマーク要素からの計測値から異常があるマーク要素の計測値に対応する値を算出して代用してもよい。いずれにしても所定の精度を有する計測値のみをアライメントに用いる。
【００６５】
図９は、図４に示すアライメントマークのマーク要素ＭＫ１乃至ＭＫ８のマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値を示す図である。図９を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３に異常があることがわかる。
【００６６】
そこで、マーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２の計測値及びマーク要素ＭＫ４の中心位置Ｘ４の計測値から、以下の数式７で示されるマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３’を算出する。
【００６７】
【数７】
そして、マーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３の計測値の代わりに、所定の精度を有するマーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２の計測値及びマーク要素ＭＫ４の中心位置Ｘ４の計測値から算出した中心位置座標Ｘ３’を用いてアライメントマーク全体の中心座標Ｘａを求める。中心位置座標Ｘ３’を代用することで、誤差を含む中心位置座標Ｘ３を除去することができる。なお、かかる中心座標Ｘａは、以下の数式８で表される。
【００６９】
【数８】
図１０は、図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式７を適用した結果を示す図である。図１１は、図１０に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図１０及び図１１を参照するに、ウェハ番号Ｗ６のマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３に関連するマーク間隔が改善されていることがわかる。
【００７１】
同様に、ウェハ番号Ｗ５のマーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４に異常がある場合、マーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２、マーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３及び設計上の基準値Ｌから、以下の数式９で示されるマーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４’を算出する。
【００７２】
【数９】
そして、マーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４の代わりに、所定の精度を有するマーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２及びマーク要素ＭＫ３の中心位置座標Ｘ３から算出した中心位置座標Ｘ４’を用いてアライメントマーク全体の中心座標Ｘａを求める。中心位置座標Ｘ４’を代用することで、誤差を含む中心位置座標Ｘ４を除去することができる。なお、かかる中心座標Ｘａは、以下の数式１０で表される。
【００７４】
【数１０】
また、中心位置座標Ｘ４’は、マーク要素ＭＫ１の中心位置座標Ｘ１、マーク要素ＭＫ２の中心位置座標Ｘ２及びマーク間隔Ｌ２の平均値から以下に示す数式１１を用いて算出することもできる。
【００７６】
【数１１】
アライメントマーク全体の中心座標Ｘａは、以下の数式１２で表される。この場合も、誤差を含む中心位置座標Ｘ４’を代用することで、誤差を含む中心位置座標Ｘ４を除去することができる。
【００７８】
【数１２】
図１２は、図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式１０又は数式１１を適用した結果を示す図である。図１３は、図１２に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。図１２及び図１３を参照するに、ウェハ番号Ｗ５のマーク要素ＭＫ４の中心位置座標Ｘ４に関連するマーク間隔が改善されていることがわかる。
【００８０】
このように、アライメントマークを構成するマーク要素の異常を判定し、所定の精度を有する計測値のみを選択することで、信号処理による精度劣化を防止することができる。また、異常なマーク要素から計測された計測値を用いずに、他のマーク要素から計測された所定の精度を有する計測値から算出される値を代用することもできる。
【００８１】
アライメント計測は、例えば、図１４に示すように、ショット５、ショット２１、ショット２９、ショット３９で行い、例えば、ショット２９で異常が発生した場合、代替ショット２８でアライメント計測を行う。ここで、図１４は、アライメント計測を行うショットのレイアウトを示す概略平面図である。なお、数字は露光を行う順序を示している。
【００８２】
代替ショットでのアライメント計測についても異常かどうかの判定を行い、異常と判定されなければ、その計測値を採用する。異常と判定されれば、再度アライメント計測を行い、予め設定された規定回数（例えば、３回）を越えても異常のままであれば、例えば、アラーム等を発生するようにし、異常がなくなればその計測値を採用するようにすればよい。
【００８３】
アライメントマーク全体からアライメント計測精度を判定することも可能である。図１７に示すアライメント信号処理部１６０で信号処理を行って、図２１に示す４つのマーク要素の中心位置座標Ｘ１乃至Ｘ４から、以下に示す数式１３を用いてマーク間隔Ｌ１乃至Ｌ３を算出する。
【００８４】
【数１３】
マーク間隔Ｌ１乃至Ｌ３は、検出誤差及びＷＩＳが発生していない場合において、図１９及び図２０で示したようにマーク間隔の設計値である２０μｍで一定となる。これを利用して計測精度を判定することができる。
【００８６】
マーク間隔の設計上の基準値Ｌ＝２０μｍに対して、マーク間隔Ｌ１乃至Ｌ３に偏りがないことが望ましい。しかし、アライメント信号の一部に歪みがある場合には、マーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるＬ１−Ｌ、Ｌ２−Ｌ、Ｌ３−Ｌのうちいずれかが大きいことになる。
【００８７】
マーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の２乗平均誤差ｓｑを求めることで、アライメントマーク全体の計測誤差及びずれ量を含んだ誤差量がわかる。２乗平均誤差ｓｑは、以下の数式１４から求めることができる。
【００８８】
【数１４】
但し、Ｎは、マーク間隔の数である。
【００９０】
数式１４が示すように、マーク間隔の数Ｎが多いほど、精度はＮ１／２で上がることがわかる。
【００９１】
図１５は、図１９に示すアライメントマーク１８０Ａのマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差と２乗平均誤差の数値を示す図である。図１６は、図１５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量及び２乗平均誤差としてプロットしたグラフである。
【００９２】
図１５及び図１６を参照するに、ウェハ番号Ｗ６の偏りが大きいことがわかる。ここで、異常値の判定に以下の数式１５を用いて、ＪＯＢ設定でδｐ以上の計測値を以上として検出することができる。
【００９３】
【数１５】
本実施形態では、δｐ＝１．５以上の計測値を以上と設定することで、ウェハ番号Ｗ６の計測値が設定範囲を越えた異常値であることがわかる。アライメントマークに異常値が検出された場合には、更に、アライメントマークを構成するマーク要素のどれに異常が発生しているのかを数式１４及び数式１５から判別することができる。また、異常なマーク要素と判別されたマーク要素は用いず、隣接したマーク要素からの計測値又は設計上の基準値を代用することで精度劣化を防止することができる。
【００９５】
本発明の位置検出方法１０００によれば、アライメントマークの検出精度をその場で判定することができ、更に、その精度を悪化させる計測値を取り除くことで全体の精度の悪化とスループットの低下を防止することができる。
【００９６】
また、従来のように、露光した後の重ね合わせ検査を基に、オフセット補正を行う方法もあるが、露光前に精度を判定できる本発明の方法の方が、即時に精度劣化に対応することが可能である。また、オフセット補正値が常に同じにならない場合、従来の方法では細やかな補正ができないが、本発明では、効果的な対応を行うことができる。
【００９７】
また、ＡＧＡのショットをウェハ全体で異常検出する方法は従来から行われているが、本発明は、各ＡＧＡショットの計測結果を即時に判定し、更に、アライメントマークを構成するどのマーク要素が異常であるかを即時に判定することが大きな特徴である。なお、本発明は、ＡＧＡの様なグローバルアライメント方式だけに効果のあるものではなく、ダイバイダイ方式に対しても効果的である。
【００９８】
露光において、図示しない照明装置から発せられた光束は、レチクル１１０を、例えば、ケーラー照明する。レチクル１１０を通過してレチクルパターンを反映する光は、投影光学系１２０によりウェハ１３０上に結像される。露光装置１００は、位置検出方法１０００によって高精度にアライメントが行われているので、高いスループットで経済性よくデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤ素子など）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【００９９】
次に、図２８及び図２９を参照して、上述の露光装置１００を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図２８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（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェ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ェ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、これが出荷（ステップ７）される。
【０１００】
図２９は、ステップ４のウェ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、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１００によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。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ェハ上に多重に回路パターンが形成される。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１００を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。
【０１０１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、ウェハの位置合わせだけでなく、レチクルの位置合わせなどにも適用することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明によれば、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一側面としての位置検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】３つのマーク要素で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。
【図３】アライメントマークを構成する３つのマーク要素の異常を判別した結果を示す図である。
【図４】８つのマーク要素で構成されたアライメントマークを示す概略平面図である。
【図５】アライメントマークを構成する８つのマーク要素のうち３つの隣接したマーク要素の異常を判別した結果を示す図である。
【図６】図５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図７】アライメントマークを構成する８つのマーク要素のうち３つの隣接したマーク要素の異常を判別した結果を示す図である。
【図８】図７に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図９】図４に示すアライメントマークのマーク要素のマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値を示す図である。
【図１０】図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式７を適用した結果を示す図である。
【図１１】図１０に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図１２】図９に示すマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差の数値に数式１０又は数式１１を適用した結果を示す図である。
【図１３】図１２に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量としてプロットしたグラフである。
【図１４】アライメント計測を行うショットのレイアウトを示す概略平面図である。
【図１５】図１９に示すアライメントマークのマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差と２乗平均誤差の数値を示す図である。
【図１６】図１５に示す結果について、横軸をウェハ番号、縦軸をマーク間隔の計測値と設計上の基準値との残差であるずれ量及び２乗平均誤差としてプロットしたグラフである。
【図１７】本発明の一側面としての露光装置の例示的一形態を示す概略ブロック図である。
【図１８】図１７に示すアライメント光学系の主要な構成要素を示す概略光路図である。
【図１９】図１７に示すアライメントマークの概略図である。
【図２０】図１７に示すアライメントマークの概略図である。
【図２１】図１９及び図２０に示すアライメントマークを光学的に検出した場合の典型的な検出結果を示すグラフである。
【図２２】図１７に示すアライメント信号処理部が内蔵する主な機能モジュールを示す概略ブロック図である。
【図２３】図２２に示す検出結果に適用可能なパターンマッチング法を示す図である。
【図２４】ＷＩＳの影響によりマーク要素の計測位置がシフトする場合の一例を示す概略模式図である。
【図２５】４つのマーク要素のうち、左から３つ目の右側のエッジにグレインが付着した場合のアライメントマークの概略平面図である。
【図２６】図２５に示すアライメントマークから検出される一部に歪みが発生したアライメント信号の波形の一例を示すグラフである。
【図２７】アライメント信号の波形に生じた歪みにより一部のマーク要素の波形が他のマーク要素の波形と異なっていることを示す図である。
【図２８】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。
【図２９】図２８のステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【符号の説明】
１００ 露光装置
１１０ レチクル
１２０ 投影光学系
１３０ ウェハ
１４０ ウェハステージ
１４５ ウェハチャック
１５０ アライメント光学系
１５１ アライメント光源
１５２及び１５５ ビームスプリッタ
１５３及び１５４ レンズ
１５６及び１５７ ＣＣＤセンサー
１６０ アライメント信号処理部
１６１ Ａ／Ｄ変換器
１６２ 記録装置
１６３ マーク中心検出部
１６４ ＣＰＵ
１６５ 中心部
１７０ 制御部
１８０ アライメントマーク
１８２ マーク要素
Claims (13)
- 複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出方法であって、
前記複数のマーク要素の各々の位置を表す位置情報を取得するステップと、
前記取得ステップで取得した複数の前記位置情報のうち、所定の精度を有する位置情報を選択するステップと、
前記選択ステップで選択された前記所定の精度を有する位置情報を用いて前記被検出体の位置を算出するステップとを有することを特徴とする位置検出方法。 - 複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出方法であって、
前記複数のマーク要素の位置を検出し、前記複数のマーク要素間の所定のマーク間隔を取得するステップと、
前記ステップで取得された前記マーク間隔と前記所定のマーク間隔に対応する前記アライメントマークの設計値との差分値を算出するステップと、
前記算出ステップで算出された前記差分値を基に、前記被検出体の位置を検出するために用いる前記マーク要素の位置を選択するステップとを有することを特徴とする位置検出方法。 - 前記選択ステップは、前記差分値と閾値とを比較し、所定の精度を有する前記マーク要素の位置を選択することを特徴とする請求項２記載の位置検出方法。
- 前記選択ステップは、前記アライメントマークの隣接する３つの前記マーク要素におけるマーク間隔の組み合わせから、前記３つのマーク要素の異常を判別するステップを有することを特徴とする請求項２記載の位置検出方法。
- 前記判別ステップで異常と判別された前記マーク要素の位置を、異常と判断されなかった前記マーク要素の位置から作成するステップを有することを特徴とする請求項４記載の位置検出方法。
- 前記判別ステップで異常と判別された前記マーク要素の位置を再度検出するステップを有することを特徴とする請求項３記載の位置検出方法。
- 前記選択ステップは、前記差分値の２乗平均誤差を算出するステップと、
前記２乗平均誤差算出ステップで算出された前記２乗平均誤差を基に、前記複数のマーク要素の異常を判別するステップとを有することを特徴とする請求項２記載の位置検出方法。 - 複数のマーク要素から構成されるアライメントマークが形成された被検出体の位置を検出する位置検出装置であって、
前記マーク要素の位置を検出する検出手段と、
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行うことができる処理手段とを有することを特徴とする位置検出装置。 - 投影光学系を介して所望のパターンを露光する露光装置であって、
請求項８記載の位置検出装置と、
前記位置検出装置の検出結果を用いて被検出体のアライメントを行うアライメント手段とを有することを特徴とする露光装置。 - 前記被検出体は、前記所望のパターンが露光されるウェハであることを特徴とする請求項９記載の露光装置。
- 前記被検出体は、前記所望のパターンが形成されたレチクルであることを特徴とする請求項９記載の露光装置。
- 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、被処理体の所定の領域をアライメントするステップと、
前記アライメントステップでアライメントされた前記被処理体の所定の領域を露光するステップとを有することを特徴とする露光方法。 - 請求項９乃至１１のうちいずれか一項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、
露光した前記被処理体に所定のプロセスを行う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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