JP2005294474A - 位置計測装置、位置計測方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アライメントにおける計測精度と信頼性の向上を図る。
【解決手段】 精度劣化を抑制した高精度の位置計測技術を提供するマークの位置を計測する位置計測装置は、撮像手段と、撮像手段により得られた画像データのばらつきを求める演算手段と、異なる受光量で撮像手段により得られた複数の画像データに関し前記演算手段によりそれぞれ求めたばらつきに基づき、前記撮像手段の受光量に関するパラメータを設定する設定手段とを備える。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、マーク等の位置を計測する位置計測技術に関するものである。

半導体製造等のための露光装置において、ウエハの各被露光領域の位置を計測する方法として、位置合わせ用の光学系を用いて、所定の波長の光を照射してアライメントマークの反射光を光電変換した結果を利用するものがある。以下、この技術を用いた半導体製造用露光装置の従来例を簡単に説明する。

図５において示される露光装置において、Ｒは電子回路パターンが形成されている原版（以下、「レチクル」ともいう。）、Ｗは露光基板であるウエハ、そして１は投影光学系である。また、Ｓは位置合わせ用光学系を示し、２は位置合わせ照明装置、３はビームスプリッタ、４と５は結像光学系、６は撮像手段である。７はＡ/Ｄ変換手段であり、８は積算装置、９は位置検出手段である。１０は波長切り替え手段であり、１１は２次元に移動可能なＸＹステージであり、１３はステージ制御手段である。ステージ制御手段１３は、位置検出手段９の検出結果に基づきＸＹステージを所定の位置に位置決めすることができる。１４は露光照明光源であり、レチクルＲを照明する。ここで図５においてはＸ方向の位置を検出する位置合わせ用光学系Ｓのみを示しているが、同様にＹ方向（紙面に垂直方向）の位置を検出するための位置合わせ用光学系も露光装置に搭載されているものとする。図５に示した半導体の製造に用いられる露光装置はレチクルＲとウエハＷの相対的な位置合わせをした後に、露光照明光源１４から露光光を照射して、レチクルＲ上に形成されている電子回路パターンを投影光学系１を介してＸＹステージ１１上に搭載されているウエハＷに投影露光する。

次に、上述の露光装置における位置計測方法について説明する。まず、最初に、ウエハＷ上のアライメントマークＷＭを撮像手段６の撮像画面内で観察できるようにＸＹステージ１１の位置を調整する。続いて位置合わせ照明装置２から非露光光を照射し、波長切り替え手段１０により波長が切り替えられる。波長か切り替えられた光束は結像光学系４、ビームスプリッタ３を介して、アライメントマークＷＭを照明する。照明されたアライメントマークＷＭから反射した光束は、ビームスプリッタ３、結像光学系５を介して撮像装置６の撮像面上の観察範囲（ＷＰ）に反射により得られたアライメントマークの像を形成する(図２(ｅ))。撮像装置６はアライメントマークＷＭの像を光電変換する。

その後、撮像装置６からの出力は、Ａ/Ｄ変換装置７において、２次元のデジタル信号列に変換される。積算装置８はＡ/Ｄ変換装置７の出力である２次元信号を１次元のデジタル信号列Ｓ１(ｘ)に変換する。1次元のデジタル信号列に変換後、位置計測手段9にてアライメントマークWMの位置を検出する。

ここで積算装置８による１次元のデジタル信号列Ｓ１(ｘ)の作成においては、(1)撮像手段６における光電変換およびＡ/Ｄ変換手段７におけるＡ/Ｄ変換は、それぞれのダイナミックレンジ内で行われること、そして、（２）撮像手段６においてアライメントマークＷＭの位置計測に十分な受光量が確保されること、が必要であり、この２つの条件が満たされていればアライメントマーク位置の計測を正確に行うことが可能になる。

ここで、撮像光量が所定の範囲に入っているか否かを判定するとともに、当該判定結果に基づき適切な光量でマークを撮像できるようにした位置計測技術として、特許文献１に開示されているものがある。
特開２００３―０９２２４７号公報

しかしながら、近年、ＤＲＡＭに代表される半導体の集積度はますます高くなっており、アライメントマークの位置計測においても要求される計測精度も高くなってきている。撮像手段６の受光量を調節するためには、位置合わせ照明装置２の照明強度を不図示のＮＤフィルタ等により調節する方法と、撮像手段６の受光時間（ＣＣＤ等の光電変換装置における電荷蓄積時間等）を調節する方法とがある。しかしながら、撮像手段６による光電変換の結果をＡ/Ｄ変換した後、１次元のデジタル信号列Ｓ（ｘ）を生成し、当該Ｓ（ｘ）のＳ/Ｎ比を求める場合、位置合わせ照明装置２の光源のちらつきによる光学ノイズや、撮像手段６やＡ/Ｄ変換手段７の電気ノイズ等の影響により、同じ受光量になるように調整しても、当該受光量、または照明強度と受光時間との組み合わせによっては、１次元デジタル信号列Ｓ１（ｘ）のＳ/Ｎ比が異なったものとなってしまう。このことは、同じ受光量でもアライメントマークの位置検出精度が変動することを意味し、よって、場合によりアライメントマークの位置計測精度が悪化してしまうことが懸念され、単に所定トレランス内の受光量となるように制御するだけでは不十分な場合があり得ることになる。

本発明は、上述のような精度劣化を抑制した高精度の位置計測技術を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明にかかるマークの位置を計測する位置計測装置は、
撮像手段と、
前記撮像手段により得られた画像データのばらつきを求める演算手段と、
異なる受光量で前記撮像手段により得られた複数の画像データに関し前記演算手段によりそれぞれ求めたばらつきに基づき、前記撮像手段の受光量に関するパラメータを設定する設定手段とを備えたことを特徴とする。

あるいは、本発明にかかる基板にパターンを露光する露光装置は、
上記の位置計測装置を備えたことを特徴とする。

あるいは、本発明にかかるマークの位置を計測する位置計測方法は、
撮像手段により撮像する撮像工程と、
撮像工程において得られた画像データのばらつきを求める演算工程と、
前記撮像工程において異なる受光量で得られた複数の画像データに関し前記演算工程においてそれぞれ求めたばらつきに基づき、前記撮像手段の受光量に関するパラメータを設定する設定工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、上述のような精度劣化を抑制した高精度の位置計測技術を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態を説明する。

＜実施形態１＞
本発明にかかる位置検出方法を露光装置に適用した実施形態を説明する。図１Ａは、第１実施形態にかかる露光装置の構成を示す図である。同図において、Ｒは電子回路パターンが形成されているレチクルであり、Ｗは露光基板であるウエハ、１は投影光学系である。この投影光学系１は、照明光源１４より照射された投影光に基づきレチクルＲの電子回路パターン像をウエハＷに投影する。

Ｓは位置合わせ用光学系であり、照明装置、ビームスプリッタ、結像光学系、撮像手段、制御ユニットを含む。２は位置検出用の照明光を照射する位置合わせ用の照明装置であり、３はビームスプリッタ、４及び５は結像光学系である。６０は照明装置２から照明された光の反射光を受光する受光時間（蓄積時間）の調節が可能な撮像手段である。１６は制御ユニットであり、照明装置２が照射する光束の強度を制御したり、撮像手段６０が受光する光束の受光時間を撮像評価手段１２で評価した結果に基づき撮像手段６０に設定したりする。撮像手段６０は設定された受光時間に従って照明装置２から照明された光の反射光を受光する。

７は撮像手段６０で処理された結果をデジタル信号に変換するためのＡ/Ｄ変換手段、８はＡ／Ｄ変換手段７と接続し、デジタル信号の演算が可能な積算手段であり、９はデジタル信号に基づき検出対象の位置を検出する位置検出手段である。１０は照明装置２から照射された照明光の波長を切り換えるための波長切り替え手段であり、検出対象の位置計測において、位置計測用の照明光を位置検出対象に照射するにあたり、種々の波長の照明光に切り換えることが可能である。波長の切り替えは、制御ユニット１６により制御することが可能である。１１は２次元に移動可能なＸＹステージであり、１３はステージ制御手段である。ＸＹステージ１１は、ウエハＷの露光時において、ステージ制御手段１３の制御の下に、ウエハＷの被露光領域を露光するためにウエハＷを移動して位置決めし、位置計測時においては、ＸＹステージ上に載置されたウエハＷの各被露光領域の位置を撮像手段６０により計測するために必要なＸＹステージ上に設けられている基準マークＳＭを、撮像手段６０が観察可能な範囲（ＷＰ）に位置決めすることができる。

１２は撮像評価手段であり、積算手段８による演算結果のばらつきを計測し、標準偏差やレンジ等の統計的な演算処理や最小二乗演算等の誤差評価に関する演算処理を行うことができる。１５は位置検出手段９、撮像評価手段１２において検出、評価された結果を保存するためのデータベースであり、メモリに格納された状態で書き込み、読み出しが可能である。

図１Ｂは第１実施形態における位置計測処理の流れを説明するフローチャートである。まず、ステップＳ１０１において、ＸＹステージ１１上の基準マークＳＭを撮像手段６０の撮像画面内（ＷＰ）で観察できるように、ステージ制御手段１３によりＸＹステージ１１を駆動させて位置調整を行う。ここで、ＸＹステージ１１に設けられている基準マークＳＭは、ステージ上のＸＹ平面内に図２（ｂ）のような矩形のマークを複数配置したものである。ＷＰは撮像手段６０における撮像画面を示す観察範囲であり、ステップＳ１０１において、ＸＹステージ１１の基準マーク（ＳＭ）が撮像手段６０の観察範囲（ＷＰ）内に入り、４本の基準マークを観察することができる位置に調整ができたら、処理をステップＳ１０２に進め、位置合わせ用の照明装置２から照明光を照射する。

ステップＳ１０３において、波長切り替え手段１０により選択した波長の光束により、結像光学系４、ビームスプリッタ３を介して、ＸＹステージ上の基準マークＳＭを照明する。基準マークＳＭから反射した光束は、再びビームスプリッタ３に戻り、結像光学系５を介して撮像装置６０の観察範囲（ＷＰ）内に基準マークＳＭの像を形成する。

ステップＳ１０４において、撮像装置６０は基準マークＳＭの像を光電変換し、その後、撮像装置６０からの出力は、Ａ/Ｄ変換装置７に入力され、Ａ/Ｄ変換装置７は光電変換の結果を２次元のデジタル信号列に変換する（Ｓ１０５）。撮像装置６０が行う受光時間の調節により、受光量（照明光量＝光束の強度×受光時間）を調節することができる。

ステップＳ１０６において、積算装置８はＡ/Ｄ変換装置７の出力である２次元信号をＹ方向またはＸ方向に積算処理をして１次元のデジタル信号列Ｓ１（ｘ）またはＳ１（ｙ）に変換する（図２（ｄ）はＹ方向に積算処理して得られたＸ方向のデジタル信号列の例を示す図である。）。１次元のデジタル信号列は、例えば、図２(ｄ)に示すように基準マークＳＭに対応した１次元のデジタル信号列Ｓ１(ｘ)であり、この信号列Ｓ１(ｘ)のコントラストに基づき（例えば、当該コントラストが最大となることを条件として）撮像手段６０と基準マークＳＭとを互いに共役な位置関係とすることができる（尚、この共役位置関係は、位置合わせ用光学系内の光学要素、撮像手段６０または基準マークＳＭの移動等により可能である）。コントラストを求める処理は、位置検出手段９により実行させることができる。また、位置検出手段９は、積算手段８により求められた１次元のデジタル信号列Ｓ１（ｘ）を、撮像手段６０の観察範囲（ＷＰ）における位置（ｘ）に関して微分することにより１次元のデジタル信号列Ｓ１（ｘ）の傾きやその分布を求めたり、撮像手段６０が受光した光束の強度（Intensity）の最大値や、受光した光束の強度の分布を求めたりすることができる。図２（ｄ）において、基準マークＳＭ１〜ＳＭ４（図２（ｂ））の位置に対応して、信号レベルにピークが発生する（Ｍ１〜Ｍ４）。強度ピークの間隔ｄＭ１〜ｄＭ３と、基準マークの正規の配置間隔ＬＭ１〜ＬＭ３（図２（ｂ））とを合わせることで、撮像手段６０と基準マークＳＭとを共役位置関係にすることができる。すなわち、、撮像手段６０における受光時間を変化させながら、ピーク位置Ｍ１〜Ｍ４の正規位置に対するずれのばらつき（標準偏差等）がもっとも小さくなる受光時間を求め、その受光時間で撮像手段６０により撮像を行ない、得られた撮像画像のコントラストに基づき、基準マークＳＭと撮像手段６０とを共役位置関係とすることができる。

次に、位置計測用として選択した波長毎の照射光によるちらつきや電気的なノイズの影響を求める。まず、ステップＳ１０７において、基準マークやパターンのない計測用の領域を位置計測用の照明により照射するために、図２(ａ)のように観察できる領域（基準マークＳＭが存在していないＸＹステージ上の計測領域（以下、「基準面」ともいう。））を、撮像手段６０の撮像画面（ＷＰ）内で観察できるように位置調整する。そして、この基準面に対して、先に説明した基準マークＳＭに対する処理と同様に、選択した波長の光束で照射し、その反射光をビームスプリッタ３、結像光学系５を介して撮像手段６０で受光して、基準面からの反射像に関する光電変換を行う。そして、撮像手段６０による光電変換の結果は、その後、Ａ／Ｄ変換器７によりＡ／Ｄ変換され、基準面に対する１次元のデジタル信号列が求められる。このようにして、撮像手段６０における受光時間ｔｃ毎に、基準マークＳＭに関する１次元のデジタル信号列と、基準面に関する１次元のデジタル信号列との相対的な関係（Ｓ／Ｎ比）を求めることができる。

ここで、図２（ｃ）は、１次元のデジタル信号列として、Ｘ方向における１次元のデジタル信号列Ｓｏ（ｘ）を例示する図である。Ｓｏ（ｘ）の分布より、パターンや基準マークのない基準面を観測した場合、位置合わせ用の照明装置２の光源のちらつきや撮像装置の電気的特性により、デジタル信号列は一様ではなく、図２(ｃ)のようにばらついていることがわかる。そこで、このばらつき（例えば標準偏差）を撮像評価手段１２で求め、このばらつきに基づき最適な受光時間を決定する（Ｓ１０９）。ここで決定された受光時間は、制御ユニット１６が撮像手段６０に設定する。

ここで、最適な受光時間を決定する具体的な処理としては、例えば、図３Ａのように横軸に撮像手段６０における受光時間ｔｃｉをとり、縦軸に基準面での反射光に基づく１次元デジタル信号列のばらつき（標準偏差やレンジなど、撮像評価手段１２により得られたばらつきの指標となる値）をとり（図３Ａでは縦軸に標準偏差をとった例を示している。）、両者の関係から１次元デジタル信号列のばらつきがもっとも小さくなるような受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めるものである。受光時間ｔｃｉｍｉｎは、図３Ａに示すように受光時間を変化させながら標準偏差を求め、標準偏差の値がもっとも小さくなる受光時間として特定することができる。この受光時間ｔｃｉｍｉｎは位置計測用の照明装置２の光源のちらつきや撮像手段６０の電気的特性によるばらつきの影響を最も小さくすることを可能にする受光時間であり、撮像手段６０によりこの受光時間でアライメントマークを撮像すれば、Ｓ／Ｎ比を最も高くすることができる。

以上の処理を波長切り替え手段１０で切り換えることが可能な照明光の波長λｉすべてに関して実行し、基準面１次元デジタル信号列のばらつきが最も小さくなるような受光時間ｔｃｉｍｉｎを波長λｉ毎に求める。図３Ｂは波長切り換え手段１０により切り換えられる照明光の各波長λｉと、受光時間ｔｃｉｍｉｎとの関係を示す図である。選択した波長に応じて、受光時間ｔｃｉｍｉｎを切り換えることで、照明光のちらつき等の影響を低減することができ、撮像手段６０の受光光量をＳ／Ｎ比が最も高くなるように調整することができる。

図３Ｂの波長と受光時間との関係は、例えば、メモリ内のデータベース１５にルックアップテーブル（ＬＵＴ）として格納され、露光装置によるウエハＷに対するアライメント計測の際、このＬＵＴを参照することにより、選択した波長に応じた受光時間で位置計測を実行することができる。

尚、本実施形態において、図２（ｃ）、（ｄ）で示した１次元のデジタル信号列はＸ軸方向に関するものであったが、Ｙ軸方向のデジタル信号列を用いてももよく、また、当該方向ごとにまたは両方向の信号列のデータに基づき受光時間（ｔｃｉｍｉｎ）を決定するようにしてもよい。

＜実施形態２＞
第１実施形態では最適な受光時間ｔｃを求めるために、ＸＹステージ１１に設けられた基準マークＳＭと、基準マークのない面（基準面）とを観察したときの１次元のデジタル信号列のデータに基づいて最小の受光時間（ｔｃｉｍｉｎ）を決定していたが、本実施形態では、基準マークＳＭの位置計測結果のみを指標に最適な受光時間を求める。本実施形態において、ＸＹステージ１１における基準マークＳＭに対する１次元のデジタル信号列に基づいて撮像手段６０と基準マークＳＭとを共役位置関係に調整する処理（図１ＢのステップＳ１０１〜Ｓ１０６）は、第１実施形態と同様に行うものとする。

図１Ｃは、図１ＢのステップＳ１０６に後続する第２実施形態の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。まず、ステップＳ２０１において、位置計測手段９を用いて図２(ｄ)に示す基準マークＳＭの信号に基づき各矩形マークの位置Ｍ１〜Ｍ４を計測し、ステップＳ２０２において、各矩形マーク間の距離（スパン）ｄＭ１〜ｄＭ４を求める。ここで、各矩形マーク間のスパンｄＭ１（＝Ｍ２−Ｍ１）〜ｄＭ４（＝Ｍ４−Ｍ１）のばらつきは、照明装置２の光源のちらつきや撮像装置６０の電気的特性などの要因で起こるものである。撮像手段６０における受光時間を変化させながら、基準マークＳＭにおける矩形マーク間のスパンｄＭ１〜ｄＭ４を計測し、計測結果に基づきスパンのばらつきを撮像評価手段１２が逐次演算する。図３Ｃは、ある波長λ１の光束に関し、受光時間をｔｃ１、ｔｃ２、ｔｃ３、・・・ｔｃｍと変化させた場合のスパンｄＭ１〜ｄＭ４の計測結果をデータテーブルとしてまとめた図であり、各受光時間毎にスパンｄＭ１〜ｄＭ４の標準偏差（σ）が求められる。また、図２（ｂ）に示すように矩形マーク間の規範長さとしてＬＭ１〜ＬＭ４が既知な量として定められている場合には、この規範長さ（ＬＭｉ）と、計測したマークスパン（ｄＭｉ）との差分に関して標準偏差等を求めてもよい（ステップＳ２０３）。尚、統計的な指標としては、標準偏差の他、計測値の最大値と最小値の幅としてのレンジや最小二乗法を用いて求めた規範長さ（ＬＭｉ）と計測値（ｄＭｉ）との関係（例えば、当該関係を示す近似直線の傾き等のパラメータ）であってもよい。これらの統計的指標を撮像手段６０が反射光を受光する受光時間を変化させながら求める。そして、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０３で求めた統計的指標に基づいて（例えば、マークスパンｄＭ１〜ｄＭ４に関する標準偏差やレンジ等を最小にする受光時間を最適なものとして）受光時間を決定する。そして、ここで決定された受光時間は、制御ユニット１６が撮像手段６０に設定する。

最適な受光時間を決定するには、たとえば、第１実施形態で説明した図３Ａのように、横軸に撮像手段６０における受光時間ｔｃｉをとり、縦軸にマークスパンｄＭ１〜ｄＭ４に関する標準偏差やレンジなど、撮像評価手段１２により得られた１次元デジタル信号列のばらつきを示すデータをとり、１次元デジタル信号列のばらつきがもっとも小さくなるような受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めればよい。このようにして得られた受光時間ｔｃｉｍｉｎは、位置計測用の照明装置２の光源のちらつきや撮像装置の電気的特性によるばらつきの影響を最も小さくする受光時間である。尚、位置計測手段９により、位置検出用に切り換えられる光束の波長毎に、受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めるようにする。また、波長と受光時間との関係は、第１実施形態において説明したＬＵＴ（図３Ｂ）と同様に、アライメント計測時において参照可能な状態でメモリ内のデータベース１５に格納される。

実際にアライメントマークを計測するときは、計測時の照明波長にあわせて受光時間ｔｃｉｍｉｎを変更し、アライメントマークを撮像する。選択した波長に応じて、受光時間ｔｃｉｍｉｎを切り換えることで、照明光のちらつき等の影響を排除することができ、また、撮像手段６０の受光光量に関し、Ｓ／Ｎ比を最も高くするように調整することができる。よって、位置計測用の照明光の波長を切り換えた場合でも、波長または波長に対応した光源によらずＳ／Ｎ比の良好な画像ことができる。

本実施形態では、基準マークＳＭの撮像信号における各矩形マークの間隔（スパン）の「ばらつき」を最小にする受光時間を決定したが、撮像の対象は、ＸＹステージ１１上の基準マークＳＭに限定されず、例えば、露光の対象となるウエハＷ上に設けられたウエハマークＷＭ（図１Ａ）であってもよい。ウエハマークＷＭを照明装置２により照明し得られた撮像結果に基づき、ウエハマークＷＭの間隔のばらつきを最小にするものとして受光時間ｔｃｉｍｉｎを決定することも可能である。ウエハＷ上のマークＷＭを計測に使用するとともに、本実施形態の処理をウエハＷ枚葉に適用すれば、ウエハ毎にウエハ表面状態やマーク形状がばらついていても、それぞれのウエハにおいて最適な受光時間ｔｃｉｍｉｎを決定することが可能になる。

ウエハマークＷＭを基準とする場合、計測対象マークすべてに関して最適な受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めてもよいが、その場合処理に長時間を要することになるので、例えば、代表的なウエハマークＷＭ（例えば、１つのサンプルショットに対応して設けられたウエハマーク）に関して最適な受光時間を求め、他のウエハマークに関しては代表的なウエハマークで求めた受光時間で撮像するようにして、受光時間を求める処理時間を短縮することも可能である。また、ロット内でウエハ表面状態やウエハマークの形状が安定している場合は、ロット内の第１ウエハで求めた最適な受光時間ｔｃｉｍｉｎを、以降の同一ロット内のウエハで使用することも可能である。

以上のように、波長切り換え手段１０により切り換えられた照明波長に最適な受光時間とすることにより、より高精度なアライメントマークの位置計測が可能となる。また、ウエハＷ上のマークの撮像データを指標として受光時間を決定することにより、実際のウエハに最適な受光時間を決定することができる。

＜実施形態３＞
第２実施形態では、最適な受光時間を求めるために、基準マークＳＭまたはウエハマークＷＭの撮像信号におけるマークスパンのばらつきを指標としていたが、本実施形態ではＸＹステージに設けられた基準マークＳＭの計測位置のばらつきを指標として最適な受光量（受光時間）を決定する。本実施形態において、撮像手段６０と基準マークＳＭとを共役位置関係に調整する処理（図１ＢのステップＳ１０１〜Ｓ１０６）は、第１実施形態と同様に実行される。

図１Ｄは、図１ＢのステップＳ１０６に後続する第３実施形態の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。まず、ステップＳ３０１において、位置計測手段９を用いて、図２(ｄ)に示す基準マークＳＭの撮像信号に基づき、各矩形マークの中央位置に対応するピークの位置Ｍ１〜Ｍ４を計測する。ここで、位置Ｍ１〜Ｍ４の各基準位置（各矩形マークの設計上または実際の位置）に対するばらつきは照明光源のちらつきや撮像手段６０の電気的特性、さらにはステージやステージの位置を計測する干渉計などの要因で起こるものである。ピークの位置Ｍ１〜Ｍ４は、基準マークＳＭを撮像した際に得られる１次元のデジタル信号列Ｓ１（ｘ）において、例えば、図２（ｄ）のピークの位置として求めることができる。

ステップＳ３０２において、撮像手段６０における受光時間を変えながら、計測位置Ｍ１〜Ｍ４のばらつき（標準偏差等）を求める。尚、ばらつきの統計的な指標としては、第２実施形態と同様に、標準偏差の他、最大値と最小値との差としてのレンジ等を使用してもよい。

そして、ステップ３０３において、ステップＳ３０２で求めた位置Ｍ１〜Ｍ４のばらつき（標準偏差やレンジ等）に基づき、（標準偏差等のばらつきの指標を最小にするものとして）受光時間を決定する。ここで決定された受光時間は、制御ユニット１６が撮像手段６０に設定する。

最適な受光時間を決定するには、たとえば、第１実施形態で説明した図３Ａのように、横軸に撮像手段６０における受光時間ｔｃｉをとり、縦軸に計測値Ｍ１〜Ｍ４に関する標準偏差やレンジなど、撮像評価手段１２により得られたばらつきの指標をとり、計測値Ｍ１〜Ｍ４のばらつきがもっとも小さくなるような受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めればよい。この受光時間ｔｃｉｍｉｎは位置計測用の照明装置２の光源のちらつきや撮像装置の電気的特性等によるばらつきの影響を最も小さくする受光時間である。また、位置計測手段９により、位置検出用に切り換えられる光束の波長毎に、受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めるようにする。波長と受光時間の関係は、第１実施形態において説明したＬＵＴ（図３Ｂ）のように、アライメント計測時において参照可能な状態でメモリ内のデータベース１５に格納される。

実際にアライメントマークを計測するときは、計測時の照明波長にあわせて受光時間ｔｃｉｍｉｎを変更し、アライメントマークを撮像する。選択した波長に応じて、受光時間ｔｃｉｍｉｎを切り換えることで、照明光のちらつき等の影響を排除することができ、撮像手段６０の受光光量に関し、Ｓ／Ｎ比を最も高くするように調整することができる。よって、波長または波長に対応した光源によらずにＳ／Ｎ比の良好な画像を得ることができる。

本実施形態では、基準マークＳＭの撮像信号における各矩形マークの位置の「ばらつき」を最小にする受光時間を決定したが、撮像の対象は、ＸＹステージ１１上の基準マークＳＭに限定されず、例えば、露光の対象となるウエハＷ上に設けられたウエハマークＷＭ（図１Ａ）であってもよい。ウエハマークＷＭを計測に使用にするとともに、ウエハＷに対し枚葉で本実施形態の処理を適用することにより、ウエハ毎にウエハ表面状態やマーク形状がばらついていても、それぞれのウエハにおいて最適な受光時間ｔｃｉｍｉｎを決定することが可能になる。

また、ウエハ上の計測マークすべてに関し最適な受光時間ｔｃｉｍｉｎを求めてもよいが、個別に受光時間を求める場合は処理に長時間を要することになるので、例えば、代表的な１つのウエハマークＷＭ（例えば、１つのサンプルショットに対応して設けられたウエハマーク）に関して最適な受光時間を求め、他のウエハマークに関しては代表的なウエハマークＷＭで求めた受光時間で撮像するようにして、受光時間を決める処理時間を短縮することも可能である。また、ロット内でウエハ表面状態やウエハマークの形状が安定している場合は、ロット内の第１ウエハで求めた最適な受光時間ｔｃｉｍｉｎを、以降の同一ロット内のウエハに適用することも可能である。

以上のように、波長切り換え手段１０により切り換えられた照明波長に最適な受光時間とすることにより、より高精度なアライメントマークの位置計測が可能となる。また、ウエハＷ上のマークの撮像信号に基づいて受光時間を決定することにより、実際のウエハに最適な受光時間を決定することができる。

また、上述の受光時間の決定において、ステージの振動や、干渉計の計測誤差の影響も加味してマークの位置を評価する（例えば、受光時間中の複数のステージ位置データに基づき（例えば、ステージ位置を当該複数の位置の平均的な位置として）マーク位置を求める）ことにより、光源のちらつきや撮像手段６０の電気的特性・ノイズのみならず、ＸＹステージ１１の振動や、レーザ干渉計（不図示）の計測誤差の影響をも排除することが可能になる。

＜実施形態４＞
上述の第２、第３実施形態では、基準マークＳＭを構成する矩形マークの間隔（スパン）や矩形マークの計測位置から最適な受光時間を求めたが、計測精度を確保できる光量トレランスを求めることも可能である。

光量トレランスとは、基準マークＳＭやウエハマークＷＭの撮像において、撮像手段６０の受光量が計測に適したレベルであるかどうかの判定基準である。光量トレランスを設定し基準マーク等の位置計測時に受光量がこの光量トレランスの範囲内になるように受光時間や照明強度の調整を行うことにより、受光時間を調整するための時間の短縮が可能になる。以下、光量トレランスを求めるための手順を説明する。

本実施形態において、撮像手段６０と基準マークＳＭとを共役位置関係に調整する処理（図１ＢのステップＳ１０１〜Ｓ１０６）は、第１実施形態と同様に実行される。

図１Ｅは、図１ＢのステップＳ１０６に後続する第４実施形態の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。まず、ステップＳ４０１において、位置計測手段９を用いて、図２(ｄ)に示す基準マークＳＭの撮像信号における各矩形マークの位置Ｍ１〜Ｍ４を計測し、ステップＳ４０２において、当該計測結果に基づいて、各矩形マーク間のスパンｄＭ１（＝Ｍ２−Ｍ１）、ｄＭ２（＝Ｍ３−Ｍ２）、ｄＭ３（＝Ｍ４−Ｍ３）、ｄＭ４（＝Ｍ４−Ｍ１）を求める。

ここで、各矩形マーク間のスパンｄＭ１〜ｄＭ４のばらつきは、先の実施形態でも説明したとおり、照明装置２の光源のちらつきや撮像装置６０の電気的特性などの要因で起こるものである。

ステップＳ４０３において、求めたスパンｄＭ１〜ｄＭ４のばらつき（標準偏差等）を、光束の波長、撮像手段６０の受光時間、照明強度を変化させながら、撮像評価手段１２により逐次演算させる。この結果は第２実施形態で説明したように、例えば，図４Ｂのようなデータテーブルにまとめられ、データベース１５に格納される。図４Ｂは、位置計測に用いられる光束の波長をλｉとし、受光量Ｈｉ（照明強度Ｉ、撮像手段６０の受光時間Ｔｃにより決まる）を変えた場合のマークスパンｄＭ１〜ｄＭ４の計測結果と、そのときの標準偏差との関係をテーブル形式にまとめた図である。ここで、波長λｉ毎に許容標準偏差σａｉを定めている。この許容標準偏差σａｉは、許容されるばらつきの最大値を示すデータである。

ステップＳ４０４において、ステップＳ４０３の演算結果に基づいて最適な光量トレランスを決定する。最適な光量トレランスを決定する具体的な処理としては、たとえば、図４Ａに示すように、横軸に受光量、縦軸にマークスパンの標準偏差をとり、許容標準偏差σａｉを与える受光量を光量トレランスの下限とする。図４Ａにおいて、斜線で示す部分は、許容標準偏差σａｉ以下のばらつきを与える受光量の範囲となる。この範囲が光量トレランスである。一般的に受光量は撮像手段６０やＡ／Ｄ変換手段７のダイナミックレンジ内でできるだけ大きなほうがよいが、矩形マークの位置計測精度に悪影響を与えない範囲内（光量トレランス内）ならば小さくてもかまわない。

図４Ａは所定の波長λｉに関して標準偏差と受光量の関係を示す図であり、上述の処理を波長切り替え手段１０で設定可能な照明波長のそれぞれに関して実行し、照明波長毎にマークスパンｄＭ１〜ｄＭ４の標準偏差が所定の許容標準偏差以下になることを条件として光量トレランスを求める（Ｓ４０１〜Ｓ４０４）。

実際にアライメントマークを計測するときは、計測時の照明波長λｉに応じて、上述のようにしてに求めた光量トレランス内の受光量Ｈｉに切り換えることにより、照明光のちらつき等の影響を排除することができ、撮像手段６０の受光光量に関し、許容できるＳ／Ｎ比を確保できるように調整することができる。よって、波長または波長に対応した光源によらずＳ／Ｎ比の良好な画像を得ることができる。尚、受光量は、照射する光束の強度と撮像手段６０の受光時間とにより決まるため、制御ユニット１６は、そのどちらか一方あるいは両方のパラメータを調整することにより、上述の光量トレランスの条件を満たすように、照明手段２および／または撮像手段６０を制御する。

また、本実施形態では基準マークＳＭの矩形マークのスパンのばらつきに基づき光量トレランスを決定したが、ウエハ上のマークＷＭの矩形マークのスパンに基づき光量トレランスを決定することも可能である。この場合、ウエハ上のマークＷＭを使用するとともに、ウエハＷに対し枚葉で本実施形態の処理を適用することにより、ウエハ毎にウエハ表面状態やマーク形状がばらついていても、それぞれのウエハに応じた光量トレランスを決定することが可能になる。ウエハ上のマーク毎に光量トレランスを求めてもよいが、ウエハ上の代表的なマーク（例えば、１つのサンプルショット領域に対応して設けられたマーク）により光量トレランスを求め、他のマークに関しては上記代表マークに関し求めた光量トレランスを使用すれば、光量トレランスを求める処理時間を短縮することができる。また、ロット内の第１ウエハに関して求めた光量トレランスを以降の同一ロット内のウエハに関して使用することも可能である。

このように照明波長毎に予め求めた光量トレランスの条件を満たすように受光量を制御することにより、より高精度なアライメントマークの位置計測が可能となる。また、また、ウエハＷ上のマークの撮像データに基づいて光量トレランスを決定することにより、実際のウエハに最適な光量トレランスを決定することができる。

＜デバイス製造方法の実施形態＞
次に上記の露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図６は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク作製）では設計した回路パターンに基づいてマスクを作製する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等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、上記の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。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製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）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ７）する。

図７は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。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）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）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）では上記の露光装置によって回路パターンをウエハに転写する。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なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

第１実施形態にかかる露光装置の構成を示す図である。 第１実施形態における位置計測処理の流れを説明するフローチャートである。 図１ＢのステップＳ１０６に後続する第２実施形態の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。 図１ＢのステップＳ１０６に後続する第３実施形態の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。 図１ＢのステップＳ１０６に後続する第４実施形態の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。 基準面、基準マークの撮像を説明する図である。 受光時間とノイズ成分の標準偏差の関係を示す図である。 波長切り換え手段１０により切り換えられる照明光の各波長λｉと、その波長に対する受光時間ｔｃｉｍｉｎの関係を示す図である。 ある波長λ１の光束に注目し、受光時間をｔｃ１、ｔｃ２、ｔｃ３、・・・ｔｃｍと変化させた場合のスパンｄＭ１〜ｄＭ４の計測結果をデータテーブルとしてまとめた図である。 所定の波長λｉを固定して考えた場合の標準偏差と受光量の関係を示す図である。 位置計測に用いられる光束の波長をλｉとし受光量Ｈｉを変えた場合のマークスパンｄＭ１〜ｄＭ４の計測結果と、そのときの標準偏差の関係を示す図である。 従来例における露光装置の構成例を示す図である。 半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。 ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。

Claims (27)

1. マークの位置を計測する位置計測装置であって、
   撮像手段と、
   前記撮像手段により得られた画像データのばらつきを求める演算手段と、
   異なる受光量で前記撮像手段により得られた複数の画像データに関し前記演算手段によりそれぞれ求めたばらつきに基づき、前記撮像手段の受光量に関するパラメータを設定する設定手段と
   を備えたことを特徴とする位置計測装置。
2. 前記演算手段は、前記ばらつきとして、前記画像データの標準偏差およびレンジのいずれかを求めることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
3. 前記設定手段は、前記パラメータとして、前記撮像手段の蓄積時間および受光量トレランスのいずれかを設定することを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
4. 前記設定手段は、前記ばらつきが最小となるように前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
5. 前記設定手段は、前記ばらつきが許容値以下となるように前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
6. 前記設定手段は、前記ばらつきが許容値以下となるように、前記パラメータとして、前記撮像手段の受光量トレランスを設定することを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
7. 前記演算手段は、前記画像データに基づきマークの各部分間のスパンを抽出する抽出手段を含むとともに、前記ばらつきとして、前記抽出手段により抽出された複数のスパンと、前記複数のスパンにそれぞれ対応した複数の基準スパンとの間の差のばらつきを求めることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
8. 前記演算手段は、前記画像データに基づきマークの各部分の位置を抽出する抽出手段を含むとともに、前記ばらつきとして、前記抽出手段により抽出された複数の位置と、前記複数の位置にそれぞれ対応した複数の基準位置との間の位置ずれのばらつきを求めることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
9. 波長可変の照明手段を備えるとともに、前記設定手段は、前記照明手段の波長毎に前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
10. 基板にパターンを露光する露光装置であって、
    請求項１に記載の位置計測装置を備えた
    ことを特徴とする露光装置。
11. 前記位置計測装置により前記基板上のマークの位置を計測することを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
12. 前記基板を支持および移動させるステージを備え、前記位置計測装置により前記ステージ上のマークの位置を計測することを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
13. 前記基板を支持および移動させるステージを備え、前記画像データは、前記撮像手段により前記ステージ上の基準面を撮像して得られたものであることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
14. 前記演算手段は、前記画像データに基づきマークの各部分間のスパンを抽出する抽出手段を含むとともに、前記ばらつきとして、前記抽出手段により抽出された複数のスパンと、前記複数のスパンにそれぞれ対応した複数の基準スパンとの間の差のばらつきを求めることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
15. 前記演算手段は、前記画像データに基づきマークの各部分の位置を抽出する抽出手段を含むとともに、前記ばらつきとして、前記抽出手段により抽出された複数の位置と、前記複数の位置にそれぞれ対応した複数の基準位置との間の位置ずれのばらつきを求めることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
16. 前記マークは、前記基板上のマークであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の露光装置。
17. 前記基板を支持および移動させるステージを備え、前記マークは、前記ステージ上のマークであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の露光装置。
18. 請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板にパターンを露光する露光工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
19. マークの位置を計測する位置計測方法であって、
    撮像手段により撮像する撮像工程と、
    撮像工程において得られた画像データのばらつきを求める演算工程と、
    前記撮像工程において異なる受光量で得られた複数の画像データに関し前記演算工程においてそれぞれ求めたばらつきに基づき、前記撮像手段の受光量に関するパラメータを設定する設定工程と
    を備えたことを特徴とする位置計測方法。
20. 前記演算工程において、前記ばらつきとして、前記画像データの標準偏差およびレンジのいずれかを求めることを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
21. 前記設定工程において、前記パラメータとして、前記撮像手段の蓄積時間および受光量トレランスのいずれかを設定することを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
22. 前記設定工程において、前記ばらつきが最小となるように前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
23. 前記設定工程において、前記ばらつきが許容値以下となるように前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
24. 前記設定工程において、前記ばらつきが許容値以下となるように、前記パラメータとして、前記撮像手段の受光量トレランスを設定することを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
25. 前記演算工程は、前記画像データに基づきマークの各部分間のスパンを抽出する抽出工程を含み、前記演算工程において、前記ばらつきとして、前記抽出工程において抽出された複数のスパンと、前記複数のスパンにそれぞれ対応した複数の基準スパンとの間の差のばらつきを求めることを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
26. 前記演算工程は、前記画像データに基づきマークの各部分の位置を抽出する抽出工程を含み、前記演算工程において、前記ばらつきとして、前記抽出工程において抽出された複数の位置と、前記複数の位置にそれぞれ対応した複数の基準位置との間の位置ずれのばらつきを求めることを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。
27. 前記設定手段は、波長可変の照明手段の波長毎に前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１９に記載の位置計測方法。

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