JP2005197588A - 露光装置におけるウエハの積載位置算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエハの裏面にゴミが付着したりして、ウエハに歪みが生じた場合でも、ウエハの位置測定に誤差を生じにくいウエハの積載位置算出方法を提供する。
【解決手段】 ウエハホルダ３１とウエハ３２の間に直径がｄの球状のゴミ３３が挟まり、そのことにより、ウエハの、このゴミ３３の位置から半径Ｄの間の部分がウエハホルダ３１より浮き上がアライメントマークが本来観測されるべき位置３４と、実際に観測される位置３５とが一致しなくなる。よって、アライメントマークの測定に先立ち、前記ウエハ面の前記アライメントマークが位置すると想定される部分の高さを測定し、測定された高さが所定範囲を超えている場合には、当該アライメントマークを、前記ウエハの載置位置の算出には使用しないようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レチクルに形成されたパターンをウエハに露光転写する露光装置において、ウエハステージに載置されたウエハの位置を算出する方法に関するものである。

半導体デバイスの高密度化に伴い、その製造工程においてレチクルからウエハに露光転写すべきパターンが微細化している。このような微細なパターンを露光転写するには、光学式露光転写装置ではその解像度が不足しており、光学式露光転写装置に変わるものとして、電子線等の荷電粒子線を使用した露光転写装置の開発が進められている。

荷電粒子線露光装置においては、荷電粒子線源から放出された荷電粒子を、照明光学系を介してレチクル上に照射して照明し、レチクルに形成されたパターンを、投影光学系を介してウエハ上に結像させることにより、露光転写を行っている。

このような荷電粒子線露光装置の一例である電子線露光装置が、例えば特開平１１−３５４４２１号公報（特許文献１）に記載されている。このような電子線露光装置の概要図を図４に示す。図４において、１は電子線、２はレチクル、３は主レンズ磁極、４は主レンズコイル、５は散乱アパーチャ、６はウエハ、７は偏向器コイル、８は像調整用レンズ、９はレチクルステージ、１０は反射鏡、１１はレチクルステージ用レーザ干渉計、１２はレーザ光線、１３はレーザ光源、１４はレーザ光線、１５はレチクル高さセンサ、１６はステージ制御及び補正装置、１７はレチクルステージ駆動用モータ、１８はウエハステージ、１９は反射鏡、２０はウエハ測定用レーザ干渉計、２１はレーザ光線、２２はレーザ光源、２３はレーザ光線、２４はウエハ高さセンサ、２５はウエハステージ駆動用モータ、２６は反射電子検出器、２７は像補正レンズ制御装置、２８は偏向器制御装置である。

照明光学系よりの電子線１は、レチクル２を照射し、レチクルパターンを通過した電子線は、主レンズ磁極３及びレンズコイル４によりレンズ作用を受けて、散乱アパーチャ５を通過した後、ウエハ６上にレチクルパターンを結像する。電子線を偏向させてレチクル２上のサブフィールドをウエハ６の適当な位置に対応させるために、偏向器７が設けられている。また、像の高さ方向の結像位置、回転倍率を補正するために、像調整用レンズ８が設けられている。

レチクル２は、レチクルステージ９上に載置される。レチクルステージ９には反射鏡１０が取り付けられ、レチクルステージ用レーザ干渉計１１は、レーザ光線１２をこの反射鏡９に照射し、その反射光を受光することによりレチクルステージ９の位置を測定する。図にはこのレチクルステージ用レーザ干渉計１１は１セットしか図示されていないが、水平方向に離れた２つの平行する位置にそれぞれ平行に設置され、これら２つのレチクルステージ用レーザ干渉計により、レチクルステージ９の位置を２個所で測定することによって、レチクルステージ９の回転を測定するようになっている。又、レチクルステージ用レーザ干渉計１１は、Ｘ軸、Ｙ軸方向の各々に設けられている。レチクル２の高さ方向位置は、レーザ光源１３よりレーザ光線１４をレチクル２に照射し、その反射光をレチクル高さセンサ１５で受光することにより測定される。このように、レチクル２の各部分の高さを検出するセンサをレチクルオートフォーカスセンサと呼んでいる。これらの各レチクル位置測定装置により測定されたレチクル位置は、ステージ制御及び補正装置１６に入力される。

レチクルステージ９は、レチクルステージ駆動用モータ１７により駆動される。図には１個しか示されていないが、実際にはレチクルステージ駆動用モータ１７は、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸（高さ方向）用、回転用の４個が使用されている。これらレチクルステージ駆動用モータ１７は、ステージ制御及び補正装置１６の指令により駆動される。

一方、ウエハ６は、ウエハステージ１８上に載置される。ウエハステージ１８には反射鏡１９が取り付けられ、ウエハ測定用レーザ干渉計２０は、レーザ光線２１をこの反射鏡１９に照射し、その反射光を受光することによりウエハステージ１８の位置を測定する。図にはこのウエハ測定用レーザ干渉計２０は１セットしか図示されていないが、水平方向に離れた２つの平行する位置にそれぞれ平行に設置され、これら２つのウエハ測定用レーザ干渉計により、ウエハ６の位置を２個所で測定することによって、ウエハ６の回転を測定するようになっている。ウエハ測定用レーザ干渉計２０も、Ｘ軸、Ｙ軸方向の各々に設けられている。ウエハ６の高さ方向位置は、レーザ光源２２よりレーザ光線２３をウエハ６に照射し、その反射光をウエハ高さセンサ２４で受光することにより測定される。このように、ウエハ６の各部分の高さを検出するセンサをウエハオートフォーカスセンサと呼んでいる。これらの各ウエハ位置測定装置により測定されたウエハ位置は、ステージ制御及び補正装置１６に入力される。

ウエハステージ１８は、ウエハステージ駆動用モータ２５により駆動される。ウエハステージ駆動用モータ２５も、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸（高さ方向）用、回転用の４個が使用されている。これらレチクルステージ駆動用モータ２５は、ステージ制御及び補正装置１６の指令により駆動される。

反射電子検出器２６は、ウエハ６に設けられたチップ位置検出用マーク（アライメントマーク）からの反射電子を検出し、それによりチップの位置を検出し、ステージ制御及び補正装置１６に出力する。

像の高さ方向の結像位置、回転、及び水平方向の結像位置を補正するために、像補正レンズ及び偏向器制御装置２７、偏向器制御装置２８が設けられ、その出力が、それぞれ像調整用レンズ８、偏向器コイル７に結合されている。像補正レンズ制御装置２７、偏向器制御装置２８はステージ制御及び補正装置１６の出力により駆動される。

この電子線露光装置で、像水平方向位置ずれ、回転ずれ、焦点ずれを補正する方法としては、レチクルステージ９の位置を変更することによって行う方法、ウエハステージ１８の位置を変更することによって行う方法、像補正レンズ制御装置２７、偏向器制御装置２８により、像調整用レンズ８、偏向器７を駆動して行う方法がある。前に説明したように、ステージ位置の変更により補正する方法は、補正可能範囲は広いが応答が遅い、像補正レンズ及び偏向器制御装置２７、偏向器制御装置２８により補正する方法は、補正範囲は狭いが応答が速い。これらの補正方式の特徴を生かして、これらを組み合わせて像の補正を行う。

前述のように、電子線露光装置のような荷電粒子線露光装置には、ウエハに設けられたアライメントマークの位置を測定する装置（干渉計や反射電子検出器等）が設けられている。これは、レチクルとウエハの位置合わせを正しく行うためである。通常、ウエハ上には複数層のパターンを有する層が形成されるが、これらの層間の位置がずれると、形成される半導体デバイスが、所望の特性を有しなくなることがある。そのため、各層に対して、レチクルに形成されたパターンを正しい位置に露光転写する必要がある。

すなわち、ウエハは、一つの層の露光が終わるとウエハステージから取り外され、レジストの現像やエッチングの終了後に、次の層の形成のため再びレジストを塗布されてからウエハステージに載置されるが、そのとき、ウエハステージへの載置位置が、前の層の露光を行うときの載置位置とは異なってくる。荷電粒子線露光装置でウエハ位置として測定されているのは、実際にはウエハステージの位置であるので、ウエハステージとウエハとの位置関係を、別の方法で測定しておく必要がある。

アライメントマークは、このような目的で設けられるもので、アライメントマークが目的とする位置に来るようにウエハステージを調整し、調整しきれなかった誤差については、荷電粒子線光学系（偏向器等）を調整することにより補正するようになっている。このような目的に使用されるアライメントマークは、ウエハの各層毎に複数個形成され、複数個のアライメントマークの位置を測定することにより、測定上の誤差を小さくする方法が採用され、ＥＧＡ（Enhanced Global Arraignment）と呼ばれている。ＥＧＡの詳細な手法については、例えばＵＳＰ４，７８０，６１７号（特許文献２）に記載されている。

特開平１１−３５４４２１号公報 ＵＳＰ４，７８０，６１７号

しかしながら、複数個のアライメントマークの位置を測定し、その結果に基づいて感光基板の位置を測定するこのような方式においては、選択されたアライメントマークの一部が大きな位置測定誤差を有していた場合に、全体のアライメント結果に誤差を発生させることになる。このように、選択されたアライメントマークの一部が大きな位置測定誤差を有する原因として、前工程に起因する場合があり、このような場合は誤差の発生を防ぐことは困難であるが、その発生頻度は少ない。

実際にこのような誤差を発生させる原因の多くは、ウエハの裏面に付着するゴミである。すなわち、ウエハの裏面にゴミが付着した場合には、その分、ウエハが上方に膨らんだ歪みを生じ、その結果、アライメントマークの検出位置に誤差を生じることになる。そして、前述のように、この誤差が、全体のウエハの位置測定に誤差を生じさせることになる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ウエハの裏面にゴミが付着したりして、ウエハに歪みが生じた場合でも、ウエハの位置測定に誤差を生じにくいウエハの積載位置算出方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、露光装置において、ウエハに形成された複数のアライメントマークの位置を測定し、その測定データに基づいて前記ウエハの載置位置を算出する方法であって、前記アライメントマークの測定に先立ち、前記ウエハ面の前記アライメントマークが位置すると想定される部分の高さを測定し、測定された高さが所定範囲を超えている場合には、その部分にあるアライメントマークを、前記ウエハの載置位置の算出には使用しないことを特徴とする露光装置におけるウエハの積載位置算出方法（請求項１）である。

本手段においては、ウエハ面の、アライメントマークが位置すると想定される部分の高さを測定し、測定された高さが所定範囲を超えている場合には、その部分にあるアライメントマークを、ウエハの載置位置の算出には使用しないようにしているので、ウエハの歪みに起因して大きな測定誤差を有する可能性のあるアライメントマークのデータを排除でき、その影響により全体に誤差が発生することを防止することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、通常使用するアライメントマークの他に、その代用となるアライメントマークを別に設けておき、前記通常使用するアライメントマークを使用しない場合には、代わりに、前記代用となるアライメントマークを使用することを特徴とするもの（請求項２）である。

本手段においては、代用のアライメントマークを用いることにより、測定データ数が少なくなるのを防止することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記ウエハ面の高さを、前記露光装置に付属されているウエハオートフォーカスセンサにより測定することを特徴とするもの（請求項３）である。

通常の露光装置は、露光中にウエハの露光部分の高さを測定し、その高さ変動に伴う像のボケ、歪みを補償するようにするために、ウエハオートフォーカスセンサと呼ばれるウエハ面の高さセンサを有している。第１の手段において、このセンサを、ウエハの表面の高さを測定するために使用することにより、特別のセンサを設ける必要が無くなる。

本発明によれば、ウエハの裏面にゴミが付着したりして、ウエハに歪みが生じた場合でも、ウエハの位置測定に誤差を生じにくいウエハの積載位置算出方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。始めに、ＥＧＡを行う際の、ウエハの位置測定の誤差の発生について説明する。今、アライメントマークがＮ個あるとし、そのうちｉ番目の一つのアライメントマークに着目して、そのアライメントマークが存在すべき位置を（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）とし、それに対して、ウエハ全体が線形的に変形・位置ずれを生じた場合に観測される、そのアライメントマークの位置を（Ｘ’_ｉ，Ｙ’_ｉ）とすると、これらの間には以下の関係式が成り立つ。

ここに、Ｓ_ｘはｘ方向倍率誤差、Ｓ_ｙはｙ方向倍率誤差、θは回転誤差、ωは直交度誤差、Ｏ_ｘはｘ方向位置誤差、Ｏ_ｙはｙ方向位置誤差である。

今、Ｎ個のアライメントマークについて、それぞれ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）と、（Ｘ’_ｉ，Ｙ’_ｉ）の実測値である（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）を求め、これらの関係から最小二乗法を用いてＳ_ｘ、Ｓ_ｙ、θ、ω、Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙを求める式は、周知の最小二乗法による解の式を当てはめ、

により得られる。ここに各シグマは、ｉについて１からＮまでとるものとする（これは、以下の式についても同じである）。

今、Ｎ個の各アライメントマークが、ウエハの中心を中心とする円上に等間隔で設けられているものとし、その円の半径をｒとすると、ｉ番目のアライメントマークが存在すべき位置を（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は（ｒcosΘ，ｒsinΘ）で表される。ここにΘ＝２πｉ／Ｎ（ｉ＝１〜Ｎ）である。これを（２）式の右辺の逆行列に代入すると、

となる。これにより（２）式は、

と表される。

従ってＮ個のアライメントマークのうちｋ番目のものだけが歪みや変形により大きくずれて非線形誤差（δＸ_ＮＬ，δＹ_ＮＬ）を発生し、その他のアライメントマークはほぼ線形性を保っているとすると、その場合と、全てのアライメントマークが線形性を保っている場合との線形誤差成分の差は、

で表される。但し、（５）式の左辺で各線形誤差成分を示す記号にδを付けたものが、前述の各線形誤差成分の差を示す。

よって、Ｎ個のアライメントマークのうちｋ番目のものだけが歪みや変形により大きくずれて非線形誤差（δＸ_ＮＬ，δＹ_ＮＬ）を発生し、その他のアライメントマークはほぼ線形性を保っている場合に発生する、Ｎ個のアライメントマークの位置測定によって決定されるウエハ上の露光位置の誤差（δＸ，δＹ）は（１）式と（５）式より、

となる。但し、（Ｘ，Ｙ）は、全てのアライメントマークが線形性を保っている場合にて決定されるウエハ上の露光位置である。

ここで、ウエハホルダとウエハの間に球状のゴミが挟まったような簡単なモデルを考える。図１にこのようなモデルを示す。ウエハホルダ３１とウエハ３２の間に直径がｄの球状のゴミ３３が挟まり、そのことにより、ウエハの、このゴミ３３の位置から半径Ｄの間の部分がウエハホルダ３１より浮き上がり、浮き上がり方が図に示すように断面が直線状であったとする。

ウエハ３２の厚さをｔとすると、幾何学的な関係より、アライメントマークが本来観測されるべき位置３４と、実際に観測される位置３５との間の距離δ_ＮＬは、
δ_ＮＬ＝ｔｄ／Ｄ
で示される。例えばｔ＝725μｍ、ｄ＝１μｍ、Ｄ＝５ｍｍとすると、δ_ＮＬ＝145ｎｍとなる。

例えば、図２に示すように、ウエハ３２の中心から半径７０ｍｍの位置に、８つのアライメントマークAR1〜AR8が等間隔で設けられ、そのうちのアライメントマークAR1の下にゴミ３３があり、上述のような条件が成り立つような場合には、Ｎ＝８、ｒ＝７０ｍｍ、（Ｘ_ｋ，Ｙ_ｋ）＝（０，７０ｍｍ），δｘ_ＮＬ＝δｙ_ＮＬ＝145μｍである。今、露光位置３６を（Ｘ，Ｙ）＝（０，９０ｍｍ）とすると、これらの値とアライメントマークAR1〜AR8のあるべき位置座標を（６）式に代入することにより、δＸ＝１８ｎｍ、δＹ＝６５ｎｍという露光位置誤差が生じることになる。これは、露光転写精度上無視できない値となる。よって、このような場合には、アライメントマークAR1を除外して、アライメントマークAR2〜AR8のみで計算を行うことが望ましい。

又、図３に示すように、アライメントマークAR1の近くに、アライメントマークAR1の代用となる第２順位アライメントマークAR1a、第３順位アライメントマークAR1b、第４順位アライメントマークAR1cを作っておき、アライメントマークAR1が測定に不適当と判断されたときは、この順位に従って最初に適当と判断されるアライメントマークを、アライメントマークAR1の代わりに使用するようにしてもよい。なお、図３において図示を省略しているが、他のアライメントマークAR2〜AR8の近くにも、順位付けされた代用のアライメントマークがアライメントマークAR1に対するのと同じように設けられている。

このようにアライメントマークが、ウエハ位置の算出に使用するのに適当であるかどうかは、アライメントマークが存在する位置の近傍におけるウエハの高さを測定し、その高さが所定値以上であるときに不適当であると判断して、そのアライメントマークをウエハ位置の算出に使用しないようにすればよい。

この場合、「所定値」をいくらにするかは、例えば図１に示すようなモデルを作り、一つのアライメントマークがある高さだけずれたときにウエハの位置誤差に与える値を計算し、その値が許容される限界である場合に対応する高さを「所定値」とすればよい。

実際には、図４に示すような荷電粒子線露光装置において、ウエハの位置測定に先立ち、ウエハオートフォーカスセンサを使用して、アライメントマークが位置する近傍のウエハの高さを測定する。そして、その高さが「所定値」を超えている場合には、そのアライメントマークをウエハの位置計算に使用しないで計算を行うか、前述のように第２順位以下のアライメントマークを代用して計算を行うようにする。

なお、本発明は、電子線等を使用した荷電粒子線露光装置、ＥＵＶ、Ｘ線、ArＦ、KrＦ、ｉ線等の光を用いた露光装置に適用が可能である。

ウエハホルダとウエハの間に球状のゴミが挟まったモデルを示す図である。 円上に複数設けられたアライメントマークの例を示す図である。 順位付けされたアライメントマークの例を示す図である。 電子線露光装置の概要を示す図である。

符号の説明

３１…ウエハホルダ、３２…ウエハ、３３…ゴミ、３４…アライメントマークが本来観測されるべき位置、３５…アライメントマークが実際に観測される位置、AR1〜AR8…アライメントマーク、AR1a…第２順位アライメントマーク、AR1b…第３順位アライメントマーク、AR1c…第４順位アライメントマーク

Claims (3)

1. 露光装置において、ウエハに形成された複数のアライメントマークの位置を測定し、その測定データに基づいて前記ウエハの載置位置を算出する方法であって、前記アライメントマークの測定に先立ち、前記ウエハ面の前記アライメントマークが位置すると想定される部分の高さを測定し、測定された高さが所定範囲を超えている場合には、その部分にあるアライメントマークを、前記ウエハの載置位置の算出には使用しないことを特徴とする露光装置におけるウエハの積載位置算出方法。
2. 通常使用するアライメントマークの他に、その代用となるアライメントマークを別に設けておき、前記通常使用するアライメントマークを使用しない場合には、代わりに、前記代用となるアライメントマークを使用することを特徴とする請求項１に記載の露光装置におけるウエハの積載位置算出方法。
3. 前記ウエハ面の高さを、前記露光装置に付属されているウエハオートフォーカスセンサにより測定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の露光装置におけるウエハの積載位置算出方法。
   

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