JP2005203611A - アライメントマークの検出方法 - Google Patents

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

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（ｘ_１ ^ｄ，ｙ_１ ^ｄ）とし、検出器により測定された位置を（ｘ_１，ｙ_１）とすると、レチクルは、ｘ方向に（ｘ_１−ｘ_１ ^ｄ）だけ、ｙ方向に（ｙ_１−ｙ_１ ^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（ｘ_２ ^ｄ，ｙ_２ ^ｄ）とすると、検出位置を、（（ｘ_２ ^ｄ＋ｘ_１−ｘ_１ ^ｄ），（ｙ_２ ^ｄ＋ｙ_１−ｙ_１ ^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（ｘ_１１ ^ｄ，ｙ_１１ ^ｄ）とし、検出器により測定された位置を（ｘ_１１，ｙ_１１）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（ｘ_１２ ^ｄ，ｙ_１２ ^ｄ）とし、検出器により測定された位置を（ｘ_１２，ｙ_１２）とすると、

の関係がある。θは回転成分、Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙ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（ｘ_２１ ^ｄ，ｙ_２１ ^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（ｘ_２２ ^ｄ，ｙ_２２ ^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（ｘ_２１’，ｙ_２１’）、（ｘ_２２’，ｙ_２２’）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（ｘ_１１ ^ｄ，ｙ_１１ ^ｄ）、…、（ｘ_１ｎ ^ｄ，ｙ_１ｎ ^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、（ｘ_１１，ｙ_１１）、…、（ｘ_１ｎ，ｙ_１ｎ）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Ｏ_ｘ、ｙ方向にＯ_ｙ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Ｓ_ｘ、ｙ方向の倍率成分をＳ_ｙ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（ｘ_１ｋ ^ｄ，ｙ_１ｋ ^ｄ）と観測されるべき位置（ｘ_１ｋ’，ｙ_１ｋ’）の関係は、以下の（６）式のように表される（ｋ＝１〜ｎ）。

ここで、（ｘ_１ｋ’，ｙ_１ｋ’）は、本来（ｘ_１ｋ，ｙ_１ｋ）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Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙの６個である。一方、ｎ＝３の場合は、
（ｘ_１ｋ，ｙ_１ｋ）＝（ｘ_１ｋ’，ｙ_１ｋ’）
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、Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙを求めればよい。具体的には、σ^２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、Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙ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、（ｘ_２１ ^ｄ，ｙ_２１ ^ｄ）、…、（ｘ_２ｎ ^ｄ，ｙ_２ｎ ^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（ｘ_２１ ^Ｉ，ｙ_２１ ^Ｉ）、…、（ｘ_２ｎ ^Ｉ，ｙ_２ｎ ^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Ｓ_ｘ、ｙ方向の倍率成分Ｓ_ｙ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、Ｓ_ｘ、Ｓ_ｙ、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Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙが求まったとする。前述のように、行列（Ａ）の成分よりω、Ｓ_ｘ、Ｓ_ｙ、θを求め、ω、Ｓ_ｘ、Ｓ_ｙ、θ、Ｏ_ｘ、Ｏ_ｙに基づいてレチクルの位置合わせを行う。

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である。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 請求項２に記載のアライメントマークの検出方法であって、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。
   ただし、（ｘ，ｙ）は、本来アライメントがあるべき位置、（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。
   

   
4. 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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