JP2005203611A - アライメントマークの検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 次段階のアライメントマークを見失いなわないようにする方法を提供する。
【解決手段】 レチクルの基準位置からのずれ量を測定するためのアライメントマークが設けられ、当該アライメントマークは、形状が大きくて位置検出精度が粗い第1次アライメントマークから、順次、次数が高くなるに従って形状が小さくなり、位置検出精度が高くなるような高次のアライメントマークまでが、多段階に形成されているものにおいて、これらのアライメントマークの位置を測定する方法であって、少なくとも一つの段階(次数)のアライメントマークとして少なくとも3個のアライメントマークを設けてその位置を測定し、その結果に基づき、次に高次のアライメントマークが実際に存在する位置を推定して、その推定位置に基づいて高次のアライメントマークを測定することを特徴とするアライメントマークの検出方法。
【選択図】 なし
【解決手段】 レチクルの基準位置からのずれ量を測定するためのアライメントマークが設けられ、当該アライメントマークは、形状が大きくて位置検出精度が粗い第1次アライメントマークから、順次、次数が高くなるに従って形状が小さくなり、位置検出精度が高くなるような高次のアライメントマークまでが、多段階に形成されているものにおいて、これらのアライメントマークの位置を測定する方法であって、少なくとも一つの段階(次数)のアライメントマークとして少なくとも3個のアライメントマークを設けてその位置を測定し、その結果に基づき、次に高次のアライメントマークが実際に存在する位置を推定して、その推定位置に基づいて高次のアライメントマークを測定することを特徴とするアライメントマークの検出方法。
【選択図】 なし
Description
本発明は、レチクルの位置合わせをするためのアライメントマークを検出する方法に関するものである。
半導体デバイスを製造する工程においては、レチクル(本明細書、及び請求の範囲においてはマスクを含む意味で使用する)に形成されたパターンをウエハ等の感応基板に露光転写する工程が含まれる。近年、半導体デバイスの集積度の向上により微細化されたパターンは従来の紫外光を用いた露光方法では解像が困難になりつつあり、荷電粒子線や極短紫外線(EUV)を用いた新しい露光方法が使用されるようになってきている。中でも荷電粒子線を用いた露光装置は、電気的手段による制御性が良い、等の利点を持ち、次世代の露光手段として有望である。
荷電粒子線露光装置においては、荷電粒子線光学系の収差や歪等のために、広い領域を一度に露光転写することができない。このため、例えば1つのチップに相当する領域を、複数のサブフィールドと呼ばれる領域に分けて、サブフィールドごとに露光転写を行い、露光転写されたパターンをつなぎ合わせて1つのチップのパターンを得る、分割露光転写方式が採用されるようになってきている。
図1に分割露光転写方式の荷電粒子線露光装置の概要を示す。図1において、100はレチクル、100aはレチクル100上のサブフィールド、100bはサブフィールド100a間の境界領域、110はレジストを塗布したウエハ等の感応基板、110aは感応基板110の1ダイ(1チップ)分の領域、110bはサブフィールド100aそれぞれに対応した感応基板110の被転写領域、AXは荷電粒子線光学系の光軸(システム軸)、EBは荷電粒子線、COは荷電粒子光学系のクロスオーバポイントである。
レチクル100上には、感応基板110に転写すべきパターンをメンブレン上にそれぞれ備えた多数のサブフィールド100aが、パターンが存在しない境界領域100bにより区分されて存在している。そして、境界領域100bに対応する部分には、格子状の支柱(桟)が設けられ、メンブレンを熱的及び強度的に保護している。
各サブフィールド100aは、感応基板110の1ダイ分の領域110aに転写すべきパターンを分割した部分パターンをそれぞれ備えており、分割した部分パターン毎に感応基板110に転写される。
感応基板110の外観形状は図1(b)に示したとおりであり、図1(a)においては、感応基板110の一部(図1(b)のVa部)を拡大して示してある。
図1において、荷電粒子線光学系の光軸AXと平行にz軸をとり、サブフィールド100aの並び方向と平行にx軸、y軸をとる。そして、矢印Fm、Fwで示すように、レチクル100及び感応基板110をy軸方向へ互いに逆向きに連続移動させながら、荷電粒子線をx軸方向にステップ的に走査して一列のサブフィールド100aのパターンを順次転写し、その列のパターン転写が終了した後に、y軸方向に隣接する次のサブフィールド100aの列を荷電粒子線で走査し、以降同様にしてサブフィールド100a毎に転写(分割露光転写)を繰り返して1ダイ(1チップ)分のパターンを転写する。この矢印Fm、Fwで示されるy軸方向を、ステージのスキャン方向と呼ぶ。
このときのサブフィールド100aの走査順序及び感応基板110への転写順序は、それぞれ矢印Am、Awで示すとおりである。なお、レチクル100と感応基板110の連続移動方向が逆なのは、一対の投影レンズによりレチクル100と感応基板110とでx軸、y軸がそれぞれ反転するためである。
このような手順で転写(分割転写)を行う場合、x軸方向の一列のサブフィールド100aのパターンを一対の投影レンズで感応基板110にそのまま投影するだけでは、サブフィールド100aそれぞれに対応した感応基板110の被転写領域110bそれぞれの間に、境界領域100bに対応する隙間が生じる。これに対する対策として、各サブフィールド100aを通過した荷電粒子線EBを境界領域100bの幅Lxに相当する分だけx軸方向に偏向してパターン転写位置を補正している。
y軸方向に関しても、パターン縮小率比に応じた一定速度で散乱透過レチクル100と感応基板110を移動させるだけでなく、一列のサブフィールド100aの転写が終わって次の列のサブフィールド100aの転写に移る際に、境界領域100bの幅Lyだけ荷電粒子線EBをy軸方向に偏向して、被転写領域110b同士の間にy軸方向の隙間が生じないように、パターン転写位置を補正している。
以上説明したように、分割露光転写方式においては、レチクル100上の1ダイ(1チップ)に対応するパターンが多数のサブフィールド100aに分割され、各サブフィールド100a間に形成された境界領域100bに格子状の支柱(ストラット)が設けられているので、荷電粒子線照射によるレチクル基板のたわみや熱歪みを抑制することができ、精度のよい露光転写を行うことができる。
また、このような方法で露光が行われるため、従来の荷電粒子線露光装置と比較すると、サブフィールド領域が一括露光され、またレチクルには露光すべきパターンが全て形成されているため、非常にスループットを向上させることができる。
ウエハの移動方向と約直角な方向に荷電粒子線を偏向させることによりスループットを向上するスキャン方式は、予めレチクルに形成されたパターンをウエハに転写する方式の露光装置に限らず、例えば、2段階のレチクルにより任意のサイズの矩形に切り出された荷電粒子線をウエハに露光する方式や、レチクルを使用せず物面に配置されたブランキングアパーチャアレイにより任意のパターン形状に整形された荷電粒子線をウエハに転写する方式、物面に配列されたフィールドエミッターアレイから得られる荷電粒子線をウエハに転写する方式の荷電粒子線露光装置においても有効である。
このような目的で用いられるレチクルは、荷電粒子線露光装置の光軸(システム軸)に対して所定の位置に配置されなければならない。そのため、レチクルを搭載したレチクルステージを移動させることにより、システム軸をz軸とするx−y−z直交平面上で、レチクルステージをx方向、y方向に移動させてレチクル位置を調整すると共に、レチクルステージをz軸を中心として回転させて、レチクルの位置合わせを行う。このような機械的な位置合わせで取りきれなかった誤差は、荷電粒子線光学系を調整することによって補償するようになっている。
このようなレチクルの位置合わせに使用するために、レチクルには位置合わせ用のアライメントマークが形成されている。そして、レチクルをレチクルステージに搭載したときに、この位置合わせ用マークが、どの程度基準値からずれているかを測定器により計測し、レチクルの基準位置からのずれを測定するようにしている。このようなアライメントマークは光学的手段、及び荷電粒子線を使用した測定により位置計測がされるが、高精度にアライメントするためのマークは、必然的にその寸法を小さくしなければならず、又、高倍率の検出器で検出されなければならない。
高倍率の検出器は、測定できる測定可能範囲が狭いので、最初から高精度なアライメント用のアライメントマークを検出しようとすると、アライメントマークを検出器の測定可能範囲に入れるのが困難である。よって、アライメントマークを多段階(多次)に形成しておき、最初は位置検出精度は悪いが大きなアライメントマークの位置を、測定可能範囲の広い検出器で検出し、それに基づいて、その次に位置検出精度の良いアライメントマークがあるべき位置を算出し、次に精度が良くて測定可能範囲が狭い検出器で、その位置を測定することにより、一段階上の位置検出精度がよいアライメントマークの位置を測定するようにしている。
例えば、第1次のアライメントマークが位置すべき基準位置を(x1 d,y1 d)とし、検出器により測定された位置を(x1,y1)とすると、レチクルは、x方向に(x1−x1 d)だけ、y方向に(y1−y1 d)だけずれていると考えられるので、次に位置検出精度の良い第2次のアライメントマークが位置すべき基準位置を(x2 d,y2 d)とすると、検出位置を、((x2 d+x1−x1 d),(y2 d+y1−y1 d)の位置に合わせれば、第2次のアライメントマークを測定可能範囲内に入れることができる。
実際には、レチクルのずれは、このようなx方向、y方向のずれ(これらを本明細書及び特許請求の範囲は、「並進成分」と呼ぶことがある。)のみではなく、z軸まわりの回転を伴っている。よって、各段階の位置合わせ用マークを2個測定し、並進成分と回転成分を求めている。
例えば、第1の段階で、第1のアライメントマークが位置すべき基準位置を(x11 d,y11 d)とし、検出器により測定された位置を(x11,y11)とし、第2のアライメントマークが位置すべき基準位置を(x12 d,y12 d)とし、検出器により測定された位置を(x12,y12)とすると、
の関係がある。θは回転成分、Ox、Oyはそれぞれx、y方向の並進成分である。(1)式、(2)式において、未知数はθ、Ox、Oyの3つであり、方程式は4つあるので、一つを無視して方程式を解くか、最小二乗法を用いて3つの変数を求める。そして、第2段階の第1のアライメントマークが位置すべき基準位置を(x21 d,y21 d)とし、第2のアライメントマークが位置すべき基準位置を(x22 d,y22 d)とすると、求められた3つの変数を用いて、
で決定される(x21’,y21’)、(x22’,y22’)にアライメントマークが位置すると推定して、第2段階のアライメントマークを検出する。
荷電粒子線露光装置用のレチクルは、比較的強度が弱くて変形しやすい。又、基板自身の平面度が悪いため、レチクルステージに吸着して保持する場合に、大きな歪みを引き起こすという問題点がある。よって、従来技術のように、並進成分と回転のみを考慮して、次段階のアライメントマークの位置を補正して検出装置の測定可能範囲に入れようとしても、レチクルの歪みや変形のために、次段階のアライメントマークの位置がずれ、検出器の測定可能範囲に入らず、アライメントマークを見失うという問題点があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、レチクルの歪や変形等によりアライメントマークの位置がずれても、次段階のアライメントマークを見失いなわないようにする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、荷電粒子線露光装置用のレチクルであって、当該レチクルの基準位置からのずれ量を測定するためのアライメントマークが設けられ、当該アライメントマークは、形状が大きくて位置検出精度が粗い第1次アライメントマークから、順次、次数が高くなるに従って形状が小さくなり、位置検出精度が高くなるような高次のアライメントマークまでが、多段階に形成されているものにおいて、これらのアライメントマークの位置を測定する方法であって、少なくとも一つの段階(次数)のアライメントマークとして少なくとも3個のアライメントマークを設けてその位置を測定し、その結果に基づき、次に高次のアライメントマークが実際に存在する位置を推定して、その推定位置に基づいて高次のアライメントマークを測定する工程を有することを特徴とする荷電粒子線露光装置用のレチクルにおけるアライメントマークの検出方法(請求項1)である。
3個以上のアライメントマークの位置を測定すれば、最高6個以上の位置ずれパラメータを決定することができる。よって、従来の並進成分と回転成分の3つのパラメータによるよりも、精度良くレチクルの位置ずれを検出することができ、レチクルの変形、歪みがあっても、これらを位置ずれパラメータの中に取り込むことができるので、正確な位置補正ができる。よって、次段階のアライメントマークを見失うことが希になり、かつ、レチクルの位置ずれを正確に検出することができる。
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、前記一つの段階(次数)のアライメントマークの位置の検出情報より、前記レチクルが置かれるべき基準位置に対する、前記レチクルの並進成分に加えて、回転成分と直交度と倍率成分によって決まるファクタを考慮してアライメントマークの位置変化を求め、その結果に基づき、次に高次のアライメントマークが実際に存在する位置を推定して、その推定位置に基づいて高次のアライメントマークを測定する工程を有することを特徴とするもの(請求項2)である。
レチクルの歪みや変形によって起こる位置ずれの典型的なものは、並進成分、回転成分にも現れるが、その他に、本来直交すべき位置からの角度ずれである直交度(原型が正方形であった場合に、対角線がなす角度の90°からのずれの角度で表す)、x方向の倍率成分(所定間隔であるべきものが、その間隔に比例した量だけずれる変化で、本来あるべき間隔の何倍になるかを示す比例定数で表す)、y方向の倍率成分(これらをまとめて倍率成分と称する)がある。並進成分はx方向、y方向の2成分、回転成分は1成分、非直交成分は角度の1成分、倍率成分はx方向、y方向の2成分であるので、6つの位置ずれを決定するパラメータがあることになる。
よって、3個のアライメントマークの位置ずれを測定すれば6個の方程式ができるので、これを解くことにより、4個以上のアライメントマークの位置ずれを測定した場合は、最小二乗法等を使用することにより、6つのパラメータを特定でき、これにより、次段階のアライメントマークが存在する位置を正確に把握でき、又、レチクルの位置ずれを正確に把握できる。
実際には、非直交成分と倍率成分、回転成分によるアライメントマークの位置変化は密接に関連するので、これらの関係により決定されるファクタを求め、このファクタを、非直交成分と倍率成分、回転成分の代わりに使用してもよい。
前記課題を解決するための第3の手段は、前記第2の手段であって、前記アライメントマークの位置変化が、以下の式で表されるとしていることを特徴とするアライメントマークの検出方法(請求項3)である。
ただし、(x,y)は、本来アライメントマークがあるべき位置、(x’,y’)は変化したアライメントマークの位置であり、(A)は、回転成分、直交度、倍率成分によって決まる行列、eはx方向並進成分、fはy方向並進成分である。
位置変化を起こすファクタとしては、並進成分とその他の成分を分けて考えることができる。後に、発明を実施するための最良の形態の欄で例示するように、後者は、位置の回転と倍率変化に関係するので、結局、全体の位置変化は、上記のようなアフィン変換で示すことができる。これにより、計算を簡単にすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、レチクルの歪や変形等によりアライメントマークの位置がずれても、次段階のアライメントマークを見失いなわないようにする方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。第1の実施の形態は、第1段階のアライメントマークの測定結果を基に、第2段階のアライメントマークが存在する位置を推定する例であるが、第m段階のアライメントマークの測定結果を基に、第(m+1)段階のアライメントマークが存在する位置を推定する場合にも同じように適用することができる。
まず、アライメントマークはn(n≧3)個あるものとし、各々の設計上の位置を(x11 d,y11 d)、…、(x1n d,y1n d)とする。そして、実際に測定された各アライメントマークの位置を、(x11,y11)、…、(x1n,y1n)とする。
今、レチクルの置かれている位置の誤差のうち、並進成分をx方法にOx、y方向にOyとし、回転成分をθとする。又、レチクルの歪みや変形に伴う直交度をω、x方向の倍率成分をSx、y方向の倍率成分をSyとすると、行列(A)を(5)式のように定めた場合、各アライメントマークの設計上の位置(x1k d,y1k d)と観測されるべき位置(x1k’,y1k’)の関係は、以下の(6)式のように表される(k=1〜n)。
ここで、(x1k’,y1k’)は、本来(x1k,y1k)に一致するはずである。(5)式、(6)式において未知数は、a、b、c、dとOx、Oyの6個である。一方、n=3の場合は、
(x1k,y1k)=(x1k’,y1k’)
とすると方程式が6個できるので、これを解いてこれらの未知数を求めることができる。
(x1k,y1k)=(x1k’,y1k’)
とすると方程式が6個できるので、これを解いてこれらの未知数を求めることができる。
n≧4の場合は、最小二乗法等の最適化手段を用いて、これら6個の未知数を決定すればよい。最小二乗法を用いる場合は、評価関数として、
を定め、この値を最小にするようなa、b、c、d、Ox、Oyを求めればよい。具体的には、σ2をこれらの未知数で微分した値を0と置いた6個の方程式を解けばよい。この方程式は、多くの場合、解析的でなく数値計算法により解くことになる。
このようにして求まったa、b、c、d、Ox、Oyを用いて、次段階のアライメントマークがあるべき位置を推定して、そこに、検出器の測定可能範囲を合わせる。すなわち、第2段階の位置合わせマークの数がn個あったとし(なお、ここでは第1段階の位置合わせマークの数と同じとしているが、必ずしも同じである必要はない)、それらの設計上の位置を、(x21 d,y21 d)、…、(x2n d,y2n d)とすると、以下の(8)式で決まるアライメントマークが存在する予測位置(x21 I,y21 I)、…、(x2n I,y2n I)に基づいて第2段階の位置合わせマークを検出すればよい。このようにすることで、次段階のアライメントマークを見失うことなく、アライメントマーク位置の検出を続行することができる。
ここで注目すべきは、本発明においては、直交度ω、x方向の倍率成分Sx、y方向の倍率成分Syに注目しており、かつ、レチクルの回転成分θを考慮しているが、これらの値を実際に求める必要はなく、これらをまとめた行列(A)の成分を求めればよいと言うことである。もし、ω、Sx、Sy、θを求めたければ、行列(A)の成分は4つあるので、方程式が4個でき、この方程式を解く(通常は解析的でなく数値計算により解く)ことにより、これらの値を求めることができる。
以下、このようにして、最終的にアライメントマークの設計値からのずれが計算されたときに、レチクルの位置合わせを行う方法について説明する。ここでは、簡単化のために、アライメントマークは2段階に形成されているものとし、2段階目のアライメントマークの位置計測を行った結果、行列(A)とOx、Oyが求まったとする。前述のように、行列(A)の成分よりω、Sx、Sy、θを求め、ω、Sx、Sy、θ、Ox、Oyに基づいてレチクルの位置合わせを行う。
100…レチクル、100a…サブフィールド、100b…境界領域、110…感応基板、110a…感応基板110の1ダイ分の領域、110b…被転写領域
Claims (4)
- レチクルの基準位置からのずれ量を測定するためのアライメントマークが設けられ、当該アライメントマークは、形状が大きくて位置検出精度が粗い第1次アライメントマークから、順次、次数が高くなるに従って形状が小さくなり、位置検出精度が高くなるような高次のアライメントマークまでが、多段階に形成されているものにおいて、これらのアライメントマークの位置を測定する方法であって、少なくとも一つの段階(次数)のアライメントマークとして少なくとも3個のアライメントマークを設けてその推定位置を測定し、その結果に基づき、次に高次のアライメントマークが実際に存在する位置を推定して、その推定位置に基づいて高次のアライメントマークを測定する工程を有することを特徴とするアライメントマークの検出方法。
- 請求項1に記載のアライメントマークの検出方法であって、前記一つの段階(次数)のアライメントマークの位置の検出情報より、前記レチクルが置かれるべき基準位置に対する、前記レチクルの並進成分に加えて、回転成分と直交度と倍率成分によって決まるファクタを考慮してアライメントマークの位置変化を求め、その結果に基づき、次に高次のアライメントマークが実際に存在する位置を推定して、その推定位置に基づいて高次のアライメントマークを測定する工程を有することを特徴とするアライメントマークの検出方法。
- 請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載のアライメントマークの検出方法によって得られた情報に基づき、前記レチクルを搭載するレチクルステージを適宜、前記荷電粒子線露光装置の光軸をz軸とするx−y−z直交平面上でx方向、y方向に移動させると主に、z軸まわりに回転させて調整を行い、調整で取りきれなかった位置誤差については、荷電粒子線光学系を調整することにより補償することを特徴とする荷電粒子線露光装置用レチクルの位置合わせ方法。
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