JP2007256053A - 位置計測方法及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットの低下を招かずに物体の位置情報を高い精度で計測することができる位置計測方法及び装置、並びに当該方法を用いるデバイス製造方法を提供する。
【解決手段】まず、ウェハ等の物体上の計測対象領域Ｒ１を撮像して得られた画像信号と、予め求められている第１テンプレート信号との相関を求めて、物体の第１位置情報を求める。次に、計測対象領域Ｒ１内を撮像して得られた信号に基づいて、計測対象領域Ｒ２の位置計測に用いる第２テンプレート信号を生成する。そして、計測対象領域Ｒ２内を撮像して得られた第２信号と第２テンプレート信号との相関を求めて、物体の第２位置情報を求める。
【選択図】図６

Description

本発明は、物体の位置情報を計測する位置計測方法、及び当該方法を用いるデバイス製造方法に関する。

半導体素子、液晶表示素子、撮像素子、薄膜磁気ヘッド、その他のデバイスは、複数のマスクを交換しながら露光処理、現像処理、及び各種の基板処理（エッチング処理等）を数回〜数十回程度繰り返し行い、複数のレイヤを重ね合わせることにより製造される。露光装置を用いた露光処理においては、各レイヤを形成する度に、マスク及び基板の位置計測並びにマスクと基板との位置合わせ（以下、これらをアライメントという）を行うアライメント工程、露光光をマスクに照射してマスクを介した露光光で基板を露光する露光工程が行われる。

上記のアライメント工程では、アライメントセンサを用いてマスク又は基板の位置計測が行われる。ここで、基板上にはマスクに形成されたパターンを転写すべき領域である複数のショット領域が設定されており、基板の位置計測においては各ショット領域の位置が求められる。各ショット領域には位置計測用のマークが付設されており、このマークをアライメントセンサで計測することで各ショット領域の位置が求められる。基板のマークを計測するアライメントセンサは低倍（第１の倍率）の光学系と高倍（第１の倍率よりも高倍率の第２の倍率）の光学系とを備えており、まず低倍の光学系で計測視野を広くしてマークの大まかな位置情報を計測（サーチ計測）し、次いでサーチ計測の計測結果に基づいて基板の位置を補正した上で高倍の光学系で高い精度でマークの位置情報を計測（ファイン計測）している。

尚、以下の特許文献１には、まず基板上の全ショット領域のマークを計測し、その計測結果からショット領域の配列誤差の特徴を求め、次に得られたショット領域の配列誤差からショット領域毎に異なるアライメントモードを使用して目標位置を算出する方法が開示されている。また、以下の特許文献２には、基板上に形成されたパターンから特徴のあるパターンを複数抽出して位置計測用のテンプレートとし、そのテンプレートを用いて基板の位置情報を計測する方法が開示されている。
特許第３２６１７９３号公報 国際公開第０５／００１５９３号パンフレット

ところで、上述のサーチ計測では基板上に形成された数個（例えば、２個）のマーク（サーチマーク）の計測が行われるが、従来はスループットの低下を防止するために、位置計測処理に要する時間が極力短くなるように計測処理の仕様が定められている。例えば、サーチ計測で２つのマークを計測する場合には、１つ目のマークの画像情報を撮像してから２つ目のマークの画像情報を撮像するまでには基板の移動距離が長いため、ある程度画像情報の画像処理に要する時間が長くなってもスループットの低下は生じない。これに対し、２つ目のマークの画像情報を撮像してからファイン計測に移行する際には基板の移動距離が短いため、２つ目のマークの画像情報に対する画像処理に許容される時間は短くなるという状況にある。かかる状況の下では、２つ目のマークの画像情報を画像処理する際に許容される時間内で処理が終了するアルゴリズム等が採用されている。

しかしながら、短時間で処理が終了するアルゴリズムは高度な処理ができず、単純形状のパターンに対しての位置計測のみが可能である、或いは高精度な位置計測ができない等の制約が多い。サーチ計測は、上述の通り、マークの大まかな位置情報を求めるものであるが、サーチ計測結果に基づいて基板の位置補正を行った上でファイン計測が行われるため、最終的なファイン計測の計測精度を向上させるためにはラフ計測でもある程度の計測精度は必要になる。また、高度な処理ができないアルゴリズムでは誤検出する可能性が高く、ファイン計測での精度低下を引き起こす一因となる。このように、ファイン計測の計測精度を向上させる観点からはラフ計測においても極力精度が高い位置計測が可能なアルゴリズムを用いるのが望まれる。尚、このような要望は、ラフ計測の場合に限られず、物体上における複数位置の位置情報を計測する場合に求められる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スループットの低下を招かずに物体の位置情報を高い精度で計測することができる位置計測方法及び装置、並びに当該方法を用いるデバイス製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、実施の形態に示す各図に対応付けした以下の構成を採用している。但し、各要素に付した括弧付き符号はその要素の例示に過ぎず、各要素を限定するものではない。
本発明の第１の観点による位置計測方法は、物体（Ｗ）上の互いに離間した第１領域（Ｐ１１）、及び第２領域（Ｒ２）を撮像して、前記物体の位置情報を計測する位置計測方法であって、前記第１領域を撮像して得られた第１信号と、予め求められている第１テンプレート信号との相関を求めて、前記物体の第１位置情報を求める第１ステップ（Ｓ１４）と、前記第１領域内（Ｐ１１内のＲＲ１）を撮像して得られた信号に基づいて、前記第２領域（Ｒ２）の位置計測に用いる第２テンプレート信号を生成する第２ステップ（Ｓ１５）と、前記第２領域内（Ｒ２を含むＰ１２）を撮像して得られた第２信号と前記第２テンプレート信号との相関を求めて、前記物体の第２位置情報を求める第３ステップ（Ｓ１８）とを含むことを特徴としている。
この発明によると、物体上の第１領域は予め求められている第１テンプレート信号を用いたテンプレートマッチング処理がなされ、第２領域については今計測しようとしているウェハを実際に撮像した信号から得られる第２テンプレート信号を用いたテンプレートマッチング処理がなされる。
また、本発明の第２の観点による位置計測方法は、物体（Ｗ）上の互いに離間した複数の領域を検出して、前記物体の位置情報を計測する位置計測方法であって、前記物体上の第１領域（Ｐ２１）を検出して得られた第１信号に基づいて、前記物体の第１位置情報を求める第１ステップ（Ｓ２４）と、前記第１ステップでの検出結果に基づいて、前記第１領域から離間し、且つ該第１領域よりも大きさの小さい第２領域（Ｒ３）を特定する第２ステップ（Ｓ２５）と、前記第２領域を検出して得られた第２信号に基づいて、前記物体の第２位置情報を求める第３ステップ（Ｓ２８）とを含むことを特徴としている。
この発明によると、物体上の第１領域を検出して得られた第１信号に基づいて第１位置情報が求められると共に、次に検出すべき第２領域（第１領域よりも小さい領域）の特定を行い、第２位置情報はその特定された小さい第２領域を検出することで得ることができるので、第２位置情報領域の計測に要する時間を第１位置情報よりも短縮することができる。
また、本発明の第３の観点による位置計測方法は、物体（Ｗ）上の互いに離間した第１領域、及び第２領域を検出して、前記物体の位置情報を計測する位置計測方法であって、前記第１領域（Ｐ１１）を検出して得られた第１信号に対して、第１位置算出手法を用いて前記物体の第１位置情報を求める第１ステップ（Ｓ１４）と、前記第２領域（Ｒ２）を検出して得られた第２信号に対して、前記第１位置算出手法とは異なる第２位置算出手法を用いて前記物体の第２位置情報を求める第２ステップ（Ｓ１８）と、前記第１ステップの検出結果と前記第２ステップの検出結果とに基づいて、前記物体の全体的な伸縮、及び回転を求める第３ステップ（Ｓ１９）とを含むことを特徴としている。
この発明によると、物体上の第１領域を撮像して得られた第１信号に対して第１位置算出手法を用いて第１位置情報を求め、第２領域を撮像して得られた第２信号に対して第２位置算出手法を用いて第２位置を求められる。

本発明によれば、スループットの低下を招かずに、及び／又は、誤計測の削減を図りつつ、物体の位置情報を高い精度で計測することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による位置計測方法及びデバイス製造方法について詳細に説明する。

〔露光装置〕
図１は、本発明の実施形態による位置計測方法及びデバイス製造方法が用いられる露光装置ＥＸの概略構成を示す側面図である。尚、図１に示す露光装置ＥＸは、半導体素子を製造するための露光装置であって、所謂ステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影型の露光装置である。尚、以下の説明においては、必要であれば図中にＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。このＸＹＺ直交座標系は、ＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。また、露光時におけるレチクルＲ及びウェハＷの同期移動方向（走査方向）はＹ方向に設定されているものとする。

図１に示す露光装置ＥＸは、レチクルＲ上のＸ方向に延びるスリット状（矩形状又は円弧状）の照明領域を均一な照度を有する露光光ＥＬで照明する照明光学系ＩＬＳと、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲのパターンＤＰの像をフォトレジストが塗布されたウェハＷ上に投影する投影光学系ＰＬと、ウェハＷを保持するウェハステージＷＳＴと、これらを制御する主制御系ＭＣとを含んで構成されている。

照明光学系ＩＬＳは、光源ユニット、オプティカル・インテグレータを含む照度均一化光学系、ビームスプリッタ、集光レンズ系、レチクルブラインド、及び結像レンズ系等（何れも不図示）を含んで構成されている。この照明光学系の構成等については、例えば特開平９−３２０９５６に開示されている。ここで、上記の光源ユニットとしては、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、若しくはＦ_２レーザ光源（波長１５７ｎｍ）、Ｋｒ_２レーザ光源（波長１４６ｎｍ）、Ａｒ_２レーザ光源（波長１２６ｎｍ）等の紫外レーザ光源、銅蒸気レーザ光源、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザ等）の高調波発生装置、又は水銀ランプ（ｉ線等）等を使用することができる。

レチクルステージＲＳＴは、真空吸着又は静電吸着等によりレチクルＲを保持するものであり、照明光学系の下方（−Ｚ方向）に水平に配置されたレチクル支持台（定盤）１１の上面上で走査方向（Ｙ方向）に所定ストロークで移動可能に構成されている。また、このレチクルステージＲＳＴは、レチクル支持台１１に対してＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸回りの回転方向（θＺ方向）にそれぞれ微小駆動可能に構成されている。レチクルステージＲＳＴ上の一端には移動鏡１２が設けられており、レチクル支持台１１上にはレーザ干渉計（以下、レチクル干渉計という）１３が配置されている。レチクル干渉計１３により検出されたレチクルステージＲＳＴの位置情報は、装置全体の動作を統轄制御する主制御系ＭＣに供給される。主制御系ＭＣは、レチクルステージＲＳＴを駆動するレチクル駆動装置１４を介してレチクルステージＲＳＴの動作を制御する。

上述した投影光学系ＰＬは、複数の屈折光学素子（レンズ素子）を含んで構成され、物体面（レチクルＲ）側と像面（ウェハＷ）側との両方がテレセントリックで所定の縮小倍率β（βは例えば１／４，１／５等）を有する屈折光学系が使用されている。この投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向は、ＸＹ平面に直交するＺ方向に設定されている。尚、投影光学系ＰＬが備える複数のレンズ素子の硝材は、露光光ＥＬの波長に応じて、例えば石英又は蛍石が用いられる。

ウェハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの下方（−Ｚ方向）に配置されており、真空吸着又は静電吸着等によりウェハＷを保持する。このウェハステージＷＳＴは、ウェハ支持台（定盤）１６の上面上で走査方向（Ｙ方向）に所定ストロークで移動可能に構成されているとともに、Ｘ方向及びＹ方向にステップ移動可能に構成されており、更にＺ方向へ微動（Ｘ軸回りの回転及びＹ軸回りの回転を含む）可能に構成されている。このウェハステージＷＳＴによって、ウェハＷをＸ方向及びＹ方向へ移動させることができ、またウェハＷのＺ方向の位置及び姿勢（Ｘ軸周りの回転及びＹ軸周りの回転）を調整することができる。ウェハステージＷＳＴ上の一端には移動鏡１７が設けられており、ウェハステージＷＳＴの外部にはレーザ光を移動鏡１７の鏡面（反射面）に照射するレーザ干渉計（以下、ウェハ干渉計という）１８が設けられている。ウェハ干渉計１８の検出結果は主制御系ＭＣに供給される。主制御系ＭＣは、ウェハ干渉計１８の検出結果に基づいてウェハ駆動装置１９を介してウェハステージＷＳＴの位置及び姿勢を制御する。

また、本実施形態の露光装置ＥＸは、送光系２０ａ及び送光系２０ｂから構成され、投影光学系ＰＬに関してレチクルＲ上の照明領域と共役なウェハＷ上の露光スリット領域の内部及びその近傍に設定された複数の検出点でそれぞれウェハＷの表面のＺ方向（光軸ＡＸ方向）の位置を検出する多点ＡＦセンサ２０を投影光学系ＰＬの側方に備える。多点ＡＦセンサ２０は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向におけるウェハＷの表面位置及び姿勢（Ｘ軸，Ｙ軸周りの回転θＸ，θＹ：レベリング）を検出するものである。この多点ＡＦセンサ２０の検出結果は主制御系ＭＣに供給される。主制御系ＭＣは、多点ＡＦセンサ２０の検出結果に基づいてウェハ駆動装置１９を介してウェハステージＷＳＴの位置及び姿勢を制御する。

更に、本実施形態の露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬのＹ方向の側面に、ウェハＷの位置情報を計測するためのアライメントセンサ２１が配置されている。このアライメントセンサ２１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）等の撮像素子を備えており、ＦＩＡ（Field Image Alignment）方式で計測視野内に配置されたウェハＷ上を撮像する。尚、アライメントセンサ２１の光軸は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行とされている。以上のアライメントセンサ２１の詳細な構成は、例えば特開平９−２１９３５４号公報及びこれに対応する米国特許第５，８５９，７０７号等に開示されている。また、アライメントセンサ２１は、低倍（第１の倍率）の光学系と高倍（該第１の倍率よりも高倍率の第２の倍率）の光学系とを備えており、低倍の光学系で計測視野を広くしてアライメントマーク（サーチアライメントマーク兼ファイン（ＥＧＡ）アライメントマーク）ＡＭの大まかな位置情報を計測（サーチアライメント計測）し、高倍の光学系で高い精度でアライメントマークＡＭの位置情報を計測（ファインアライメント（ＥＧＡ）計測）する。アライメントセンサ２１で撮像された画像信号は主制御系ＭＣに供給される。そして、主制御系ＭＣにおいて、各種の処理が行われてウェハＷの位置情報（例えば、アライメントマークＡＭの位置情報）が求められる。

ここで、主制御系ＭＣで行われる各種処理には、例えば折り返し自己相関処理、所定のテンプレートを用いたテンプレートマッチング処理、前述の特許文献２に開示された方法を用いてウェハＷ上に形成されたパターンの特徴部分（特徴パターン）を抽出し、その抽出した特徴パターンに相当する信号をテンプレート信号として使用してテンプレートマッチングを行う処理（以下では、「回路パターンマッチング処理」という）等がある。或いは、エッジ位置計測処理（アライメントマークＡＭの輪郭を求める処理、得られた輪郭からアライメントマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理）等がある。尚、ウェハＷにはアライメントマークＡＭが複数形成されているが、図１においては簡略化のために１つのみを図示している。

本実施形態においては、ウェハＷ上に形成されたアライメントマークＡＭを計測してその位置情報を計測するのみならず、ウェハＷ上に形成されたパターンを撮像して、そのパターンからアライメントマークＡＭの位置情報を間接的に計測することも可能である。つまり、上記の回路パターンマッチング処理では、ウェハＷ上に形成されたパターンのうちの特徴部分を抽出し、その抽出した特徴パターンとアライメントマークＡＭとの設計上の位置関係から、アライメントマークＡＭの位置情報を間接的に求めることができる。また、回路パターンマッチング処理では、ウェハ上にサーチアライメントマークが存在していない場合でも、回路パターンのウェハ上での設計上の位置関係から、そのショット領域の位置情報を間接的に求めることができる。尚、回路パターンマッチング処理は、従来のテンプレートマッチング処理よりも処理に要する時間が長いが、ウェハＷがウェハステージＷＳＴ上に載置されたときの位置誤差（プリアライメントの位置誤差）を従来よりも許容することができ、更に高い精度で位置計測することができるという利点がある。

主制御系ＭＣは、求められたサーチアライメントマークの位置情報に基づいて、引き続きＥＧＡ計測を行うようにアライメントセンサ２１を制御する。ここで、ＥＧＡ計測とは、ウェハ上の複数のショット領域（計測サンプルショット領域）に付随してそれぞれ設けられている、ＥＧＡ計測用マークＡＭの位置を計測することである。通常は、３ショット領域以上のサンプルショットのＥＧＡマークＡＭの位置が計測され、その各マークＡＭの計測結果を統計演算処理（ＥＧＡ演算処理）することにより、ウェハ上の全てのショット領域の配列座標が求められる。尚、ＥＧＡ計測においては、アライメントセンサ２１の光学系を、前述の高倍（第２の倍率）の光学系に切り換えた上で、高精度なマーク計測を行う。

尚、本実施形態では、ＥＧＡマークとサーチマークと兼用したマークＡＭを使用しているため、サーチ計測用ショットと、ＥＧＡ計測用ショットとを兼用するようにすれば全体としてウェハ計測時間の短縮を図ることができる。例えば、２つ目のサーチショットをサーチ計測した後に、アライメントセンサ２１を高倍光学系に設定して引き続きその２つ目のサーチショットに付随したマークＡＭを最初のＥＧＡ計測マークとしてＥＧＡ計測を開始するようにすれば、２つ目のサーチ計測から１つ目のＥＧＡ計測までにウェハを移動させる距離が極めて短いものにすることができて、計測スループットを短縮できる効果がある。勿論、サーチ計測ショットとＥＧＡ計測ショットとを、完全に異なる組み合わせにするようにしても良い。そして、主制御系ＭＣの制御の下、ＥＧＡ計測により求めたショット領域の配列に従って、ウェハ駆動装置１９を介してウェハステージＷＳＴの位置及び姿勢を制御しながら、レチクルステージＲＳＴとの相対的な位置関係を調整しつつ、ウェハ上をレチクルパターンで露光する処理を行う。

主制御系ＭＣには、パーソナルコンピュータ、ワークステーション等の端末装置ＴＥが接続されている。この端末装置ＴＥは、キーボード等の入力装置及び液晶表示装置等の表示装置を備えており、入力装置から入力されたユーザの指示を主制御系ＭＣに出力するとともに、主制御系ＭＣから出力される露光装置ＥＸの動作状態を示す各種情報を表示装置に表示する。端末装置ＴＥを介したユーザの指示には種々のものがあるが、例えばウェハＷの位置情報を計測する際に用いる処理の種類（上述のテンプレートマッチング、回路パターンマッチング、エッジ位置計測処理等）を選択する指示がある。また、本実施形態では、マーク毎に処理の種類を変えることが可能である。具体的には、サーチ計測時には複数（例えば、２個）のサーチマークが計測されるが、各サーチマークの位置を計測するために用いるアルゴリズムを変えることができる。サーチマークの計測に用いるアルゴリズムも端末装置ＴＥから指示することができる。

次に、レチクルＲのパターンが転写されるウェハＷについて説明する。図２は、ウェハＷの全体を示す平面図である。ウェハＷは、例えばシリコン等の半導体基板であり、その上面には、図２に示す通り、Ｘ方向及びＹ方向に複数のショット領域ＳＡが配列されている。レチクルＲのパターンは、これらショット領域ＳＡを単位として転写される。即ち、ウェハＷには、ショット領域ＳＡを単位としてレチクルＲの繰り返しパターンが形成されている。各ショット領域ＳＡはＸ方向又はＹ方向に延びる複数のストリートライン（スクライブライン）によって各々分離されている。ストリートラインＳＬ上には、各ショット領域ＳＡに付随するアライメントマークＡＭが形成されている。

本実施形態では、ウェハＷ上に複数設けられたショット領域ＳＡのうち、図２中において斜線を付した２つのショット領域ＳＡ１，ＳＡ２に付随するアライメントマークＡＭがサーチマークとして用いられるものとする。図３は、ショット領域ＳＡ１の拡大図である。図３に示す通り、ストリートラインＳＬ上であって、ショット領域ＳＡ，ＳＡ１の近傍にはアライメントマークＡＭがそれぞれ形成されている。ショット領域ＳＡ１に付随して形成されたアライメントマークＡＭがサーチマークＭ１として用いられる。また、図３に示す通り、ショット領域ＳＡ，ＳＡ１に形成されたパターンのうちの特徴パターンが形成された領域に符号ＰＴを付してある。

尚、図３に示したアライメントマークＡＭは、Ｙ方向に延びる矩形形状のマーク要素がＸ方向に複数配列されたライン・アンド・スペースパターンであるが、本実施形態で用いられるアライメントマークＡＭは、この種のマークに限られる訳ではなく、任意のマークを用いることができる。また、各ショット領域ＳＡに付随するアライメントマークＡＭをサーチマークの兼用として用いるのではなく、アライメントマークＡＭとは別にサーチ計測専用のサーチマークを形成しても良い。

図２に示す通り、サーチマーク計測用のショット領域ＳＡ１，ＳＡ２は、極力離間するように配置されている。これは、１つのサーチマークの計測結果に基づいて、ウェハＷのＸ方向の位置ずれ及びＹ方向の位置ずれのみならず、ウェハＷのＸＹ平面内の回転を高精度に計測するためである。但し、ウェハＷの端部は中心部よりも変形量が大きいと考えられるため、ある程度端部から離間した位置に配置されたショット領域ＳＡ１，ＳＡ２がサーチ計測用ショットとして用いられている。

〔位置計測方法〕
次に、本発明の実施形態による位置計測方法について、ウェハＷ上に形成されたサーチマークを計測する場合を例に挙げて説明する。尚、サーチマークの計測においては、ショット領域ＳＡ１に付随するサーチマークＭ１、ショット領域ＳＡ２に付随するサーチマークＭ２の順で計測されるものとする。まず、サーチマークＭ１，Ｍ２とアライメントセンサ２１が撮像する領域との関係について説明する。サーチ計測では、サーチマークＭ１が含まれる領域、サーチマークＭ２が含まれる領域をそれぞれアライメントセンサ２１で撮像し、得られた画像信号の画像処理を行って、サーチマークＭ１，Ｍ２の位置情報を求めるのが基本である。

しかしながら、上述した通り、本実施形態では、ウェハＷ上に形成されたパターンの特徴パターンを抽出し、その結果から間接的にサーチマークＭ１，Ｍ２の位置情報を計測することもできる。このため、図４に示す通り、アライメントセンサ２１でサーチマークＭ１，Ｍ２の何れかが含まれる領域を撮像した場合、及びサーチマークＭ１，Ｍ２の何れも含まれないサーチマークＭ１，Ｍ２の近傍の領域を撮像した場合の何れの場合においてもサーチマークＭ１，Ｍ２の計測が可能である。

図４は、サーチマークＭ１とアライメントセンサ２１による撮像位置との位置関係を説明するための図である。尚、図４において、一点鎖線で示す矩形形状の領域はアライメントセンサ２１でサーチ計測を行う際に一度に計測される計測対象領域を示している。つまり、この領域の大きさがアライメントセンサ２１の計測視野の大きさを示しており、この領域の大きさを単位としてウェハＷ上が撮像される。尚、図４においては、計測対象領域の大きさ（アライメントセンサ２１の計測視野の大きさ）をショット領域の大きさと同程度に図示しているが、これらの大小関係は任意で良い。図４に示す計測対象領域Ｐ１にはサーチマークＭ１と特徴パターンの形成領域ＰＴとが含まれており、計測対象領域Ｐ２にはサーチマークＭ１は含まれずに特徴パターンの形成領域ＰＴが含まれている。

主制御系ＭＣは、アライメントセンサ２１で計測対象領域Ｐ１を撮像して得られる画像情報から、サーチマークＭ１の位置を直接求めることができ、また、その画像情報から特徴パターンを抽出して特徴パターンとサーチマークＭ１との設計上の位置関係からサーチマークＭ１の位置情報を間接的に求めることもできる。或いは、アライメントセンサ２１で計測対象領域Ｐ２を撮像して得られる画像情報から特徴パターンを抽出し、抽出した特徴パターンとサーチマークＭ１との設計上の位置関係からサーチマークＭ１の位置情報を間接的に求めることもできる。尚、サーチマークＭ１を計測する場合のみならず、サーチマークＭ２を計測する場合も同様である。

以上の通り、本実施形態では、サーチマークＭ１，Ｍ２を計測する場合には、必ずしもこれらを撮像する必要はない。このため、以下の説明では、サーチマークＭ１，Ｍ２の計測といった場合には、サーチマークＭ１，Ｍ２の何れかのみがアライメントセンサ２１の計測視野に配置された状態で行う場合、サーチマークＭ１，Ｍ２の何れか及び特徴パターンの形成領域ＰＴがアライメントセンサ２１の計測視野に配置された状態で行う場合、並び特徴パターンの形成領域ＰＴのみがアライメントセンサ２１の計測視野に配置された状態で行う場合の全ての場合を含むものとする。

また、サーチマークＭ１，Ｍ２を計測する場合には、サーチマークＭ１，Ｍ２、及びこれらの近傍に形成された特定パターンの形成領域ＰＴの少なくとも１つが含まれる領域がアライメントセンサ２１で撮像される。よって、サーチマークＭ１に関する計測対象領域には、サーチマークＭ１とサーチマークＭ１の近傍に位置する特定パターンの形成領域ＰＴとの少なくとも一方が含まれ、サーチマークＭ２に関する計測対象領域には、サーチマークＭ２とサーチマークＭ２の近傍に位置する特定パターンの形成領域ＰＴとの少なくとも一方が含まれる。次に、サーチマークＭ１，Ｍ２を順に計測する方法について説明する。サーチマークＭ１，Ｍ２を計測する方法として以下に説明する複数種類の計測方法がある。以下、これらの計測方法について順に説明する。尚、これらの計測方法は、ユーザが端末装置ＴＥを操作して指示することにより選択される。

〈第１計測方法〉
本計測手法では、テンプレートマッチング方法により、ウェハの位置計測を行うものである。上述のように、サーチアライメントでは、ウェハ上の２箇所をサーチ計測するものであるが、その２箇所のうちの最初の箇所に対して使用するテンプレート（第１のテンプレート信号）は、予め用意しておくものとする。

この第１のテンプレート信号としては、例えば、回路パターンの設計上のデータに基づいて、予め特徴的なパターン（後述する特徴パターンのＰＴ）を抽出しておき、その抽出した回路パターンの設計データに対して像形成シミュレーションを施して作成された信号を、第１のテンプレート信号として記憶しておく。そして、ロット内のウェハ（ロット先頭のウェハも含めて）の、それぞれ最初のサーチ箇所をサーチ計測する際には、その記憶した第１のテンプレート信号を使って、テンプレートマッチング処理を行うものとする（つまり、図６に示された計測対象領域Ｐ１１を、特徴パターンＰＴと同じサイズの第１テンプレートを使ってテンプレートマッチングを行う）。

或いは、前述の特許文献２に開示された方法を使って、実際にウェハを撮像した画像データの中から特徴パターンを抽出して、その抽出した特徴パターン（後述の特徴パターンＰＴ）に相当する画像データを第１のテンプレート信号として使用するようにしても良い。この手法で第１テンプレート信号を作成する場合について、以下にその手順を説明する。まず、ロット先頭のウェハ（１枚目のウェハ）に対して、ウェハ上の２箇所のサーチアライメント処理を、従来と同様の手法（従来のサーチアライメント処理手法）で行っておく。その後で、その１枚目のウェハの最初のサーチ計測箇所を、再度サーチ計測（撮像）処理して、その最初のサーチ計測領域の画像信号を得る。そして、その得られた画像信号の中から、特許文献２の手法を用いて特徴的なパターンを抽出する。

尚、この特徴パターンは、ウェハが特定のプリアライメント精度の下でウェハステージ上に投入された際に、そのプリアライメント精度の範囲内でサーチ計測系の計測視野に変動があったとしても、そのサーチ計測系の計測視野内に必ず存在することとなるパターンである。そして、その抽出された特徴パターンに相当する信号を第１テンプレート信号として記憶する。そして、以降のウェハ（ロット内の２枚目以降のウェハ）において、それぞれ１つめのサーチ計測箇所をサーチ計測する際には、その記憶した第１のテンプレート信号を使ってテンプレートマッチング処理を行うものとする（つまり、図６に示された計測対象領域Ｐ１１を、特徴パターンＰＴと同じサイズの第１テンプレートを使ってテンプレートマッチングを行う）。

以降では、上述のようにして第１のテンプレート信号が予め得られた後に実行される処理について、図５，図６を用いて説明する。尚、第１のテンプレート信号を、上述の特許文献２の手法で作成した場合（つまり、ロット内の先頭ウェハを用いて第１テンプレート信号を作成した場合）においては、図５の処理はロット内の２枚目以降のウェハに対する処理となる。

図５はサーチマークＭ１，Ｍ２の第１計測方法を示すフローチャートであり、図６は第１計測方法を用いてサーチマークＭ１，Ｍ２を計測する状態を示す上面図である。尚、図６に示す通り、サーチマークＭ１が付随するショット領域ＳＡ１、及びサーチマークＭ２が付随するショット領域ＳＡ２の内部には同様のパターンが形成されており、そのパターンには特徴パターンの形成領域ＰＴが含まれているものとする。

サーチ計測が開始されると、まず主制御系ＭＣは、サーチマークＭ１の設計上の位置情報に基づいて、ウェハ干渉計１８の検出結果をモニタしつつウェハステージＷＳＴを駆動し、サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ１１がアライメントセンサ２１の計測視野に配置されるようウェハＷを移動させる（ステップＳ１１）。ここでは、計測対象領域Ｐ１１に特徴パターンの形成領域ＰＴが含まれているものとする。ウェハＷの移動を終えると、アライメントセンサ２１でサーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ１１を撮像する（ステップＳ１２）。撮像された画像信号は、主制御系ＭＣに供給される。

サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ１１の撮像を終えると、主制御系ＭＣは、ウェハ干渉計１８の検出結果をモニタしつつウェハステージＷＳＴを駆動し、サーチマークＭ２の計測のためにウェハＷの移動を開始する（ステップＳ１３）。また、主制御系ＭＣは、アライメントセンサ２１から供給された画像信号（計測対象領域Ｐ１１を撮像した画像信号）に対して、（既述のような手法でもって）予め求められている第１のテンプレート信号を使って、所謂テンプレートマッチング計測処理を行う。そして、このテンプレートマッチング処理において、両信号間における相関値が最も高くなる位置を求める。その求められた位置は、アライメントセンサ２１が撮像した画像信号の中において（即ち、計測対象領域Ｐ１１の画像信号の中で）、上述の特徴的なパターン（特徴パターンＰＴ）が存在する位置（特定パターンを代表する代表位置）ということになる。次に、この代表位置を基準として、特徴パターンとサーチマークＭ１との設計上の位置関係からサーチマークＭ１の位置情報を算出する（ステップＳ１４）。

サーチマークＭ１の位置情報が算出されると、主制御系ＭＣは、ステップＳ１２で得られた画像信号からサーチマークＭ２の位置計測に用いるテンプレート（第２のテンプレート信号）を新たに作成する（ステップＳ１５）。ここで、サーチマークＭ２の位置計測のためのテンプレート（第２のテンプレート信号）を新たに作成する理由は、サーチマークＭ１の位置計測の際に探索した計測対象領域Ｐ１１よりも狭い探索範囲を探索できるようにすると共に、テンプレートのサイズも小さくすることでその計測処理に要する時間を短縮するためである。

この第２のテンプレート信号を作成する手法としては、既述の特許文献２に記載の手法を用いる方法が挙げられる。主制御系ＭＣは、サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ１１を撮像して得られた画像信号から、サーチマークＭ２の位置を計測する際に使用するテンプレート（第２のテンプレート）を作成するための画像信号を切り出す。この画像信号の切り出しは、サーチマークＭ１の計測結果から算出されるサーチマーク位置のオフセット（ＸＹ座標系におけるサーチマークＭ１の設計値と実測値との差異／Ｘ，Ｙオフセット）と、そのオフセットから推定されるウェハの回転及び伸縮を鑑みて決定される。

具体的に図６を用いて説明すると、まず、計測対象領域Ｐ１１よりも小さく、且つ特徴パターンの形成領域ＰＴが含まれる所定サイズの領域Ｒ１を仮定する。その領域Ｒ１が上述のオフセットや、想定されるウェハの伸縮、回転を鑑みて取りうるべき位置に位置された場合（領域Ｒ１′、領域Ｒ１″）であっても、必ず取りうる領域（３つの領域Ｒ１，Ｒ１′，Ｒ１″が重なる領域）ＲＲ１が切り出される領域となる。そして、この領域ＲＲ１に含まれ、パターンＰＴ（第１のテンプレート）のサイズよりも小さく、且つ３つの領域を足し合わせた領域（Ｒ１＋Ｒ１′＋Ｒ１″）の中で特徴的なパターンを含む領域（例えば、図中のＴ２）に相当する画像信号を、第２のテンプレート信号として抽出して記憶する。このようにして、領域Ｐ１１のサーチ画像から、サーチマークＭ２の位置計測をするための第２のテンプレート信号が作成されることになる。

尚、第２のテンプレート信号を求める際には、必ずしも上記手法（上記特許文献２の手法）を用いなくても良い。例えば、サーチマークＭ１の位置計測結果に基づいて、上記マーク位置オフセット、及び推定されるウェハ伸縮、ウェハ回転を考慮して、特徴的なパターン領域が存在するであろう領域Ｔ２を推定し、その推定された領域に相当する画像信号を第２のテンプレート信号として記憶するようにしても良い。

上記ステップＳ１４，Ｓ１５でなされる一連の処理は、ウェハＷがウェハステージにより、サーチマークＭ１を計測するための位置から、サーチマークＭ２を計測するための位置へ移動している最中に行われる。尚、サーチマークＭ２の位置計測を行う際に、テンプレートマッチング計測処理がなされる領域としては、計測対象領域（サーチ計測領域／サーチアライメントの視野領域）Ｐ１２よりも小さい領域Ｒ２（上記領域Ｒ１と同サイズで且つ付随するショットに関する位置関係が同じ位置関係となる位置に存在する領域）が設定されることになる。

そのサーチマークＭ２の位置計測を行うには、まずサーチマークＭ２に関する計測対象領域Ｐ１２をアライメントセンサ２１の計測視野内に配置する（ステップＳ１６）。この計測対象領域Ｐ１２には、特徴パターンの形成領域ＰＴが含まれており、当然ながら、領域Ｒ２、領域Ｔ２も含まれている。ウェハＷの配置（サーチマークＭ２の計測位置へのウェハステージの移動）が完了すると、アライメントセンサ２１でサーチマークＭ２に関する計測対象領域Ｐ１２を撮像する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７で撮像された画像信号は、主制御系ＭＣに供給される。アライメントセンサ２１から画像信号が供給されると、主制御系ＭＣはステップＳ１５で求めたテンプレート（第２のテンプレートＴ２）を用いてテンプレートマッチング計測処理を行い、サーチマークＭ２の位置計測を行う（ステップＳ１８）。尚、ここで行われるテンプレートマッチングは、アライメントセンサ２１で撮像されたサーチマークＭ２に関する計測対象領域Ｐ１２の全体ではなく、ショット領域ＳＡ２内における特徴パターンＰＴの周辺の領域Ｒ２（領域Ｒ１と同じ大きさ）に相当する画像信号に対して、第２のテンプレート信号（領域Ｔ２に相当するテンプレート信号）を使って行うものである。このため、計測処理に要する時間を短縮することができ、サーチマークＭ２の位置情報を高速に求めることができる。以上の処理を終えると、サーチマークＭ１，Ｍ２の計測結果からウェハＷのＸ方向及びＹ方向の位置ずれ量並びにウェハＷのＸＹ面内における伸縮量及び回転量を求め（ステップＳ１９）、それらを補正した上で、ファイン計測に移行する。

以上の通り、第１のサーチマークＭ１の位置計測を行う際には、予め求められている第１のテンプレート（上述の回路パターンマッチング処理の手法（上述の特許文献２に開示されている手法）の一部を用いて、或いは回路パターンの設計値から抽出した特徴パターンを光学シミュレーションして得られたテンプレート信号）を使って、テンプレートマッチング計測処理を行うので、スループットの低下を招くことなく、サーチマークＭ１の位置を高精度に求めることができる。

尚、上述の回路パターンマッチング処理の手法を用いてテンプレートを作成するには、処理に時間を要するが、第１サーチ計測位置から第２サーチ計測位置へウェハＷが移動している最中に、その処理手法を使って第２のテンプレートを作成するようにすれば、テンプレート作成処理時間をウェハＷの移動に隠すことができる。また、その第２テンプレートを第１のテンプレートよりも小さくすることもできるので、第２のサーチマークＭ２の位置計測を、正確で且つ高速（短時間）に行うことが可能となる。

尚、以上の説明では、サーチマークＭ１，Ｍ２に関する計測対象領域Ｐ１１，Ｐ１２の双方にサーチマークＭ１，Ｍ２が含まれていない例について説明したが、計測対象領域Ｐ１１，Ｐ１２の双方にサーチマークＭ１，Ｍ２がそれぞれ含まれている場合にも適応が可能である。かかる場合には、例えば、サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ１１に含まれる特徴パターンの形成領域ＰＴからサーチマークＭ１の位置情報を間接的に求めるとともに、画像信号からサーチマークＭ１を含む領域を切り出して新たなテンプレートを作成し、そのテンプレートを用いてテンプレートマッチングによりサーチマークＭ２の位置情報を直接求めても良い。

また、上述した例では、サーチマークＭ２の位置計測にテンプレートマッチングを用いたが、そのテンプレートマッチングに用いるテンプレートをＸ方向又はＹ方向に沿う一次元データに変換し、その変換後のデータをテンプレートとして用いても良い。かかる場合には、テンプレートマッチングを行う画像信号をＸ方向又はＹ方向に積算して一次元データに変換し、一次元データ同士でテンプレートマッチングを行う。かかる一次元データを用いることで、位置計測処理を高速化することができるとともに、積算によるノイズの平滑効果を得ることができ、高速、ロバストなサーチ計測が可能となる。

〈第２計測方法〉
図７はサーチマークＭ１，Ｍ２の第２計測方法を示すフローチャートであり、図８は第２計測方法を用いてサーチマークＭ１，Ｍ２を計測する状態を示す上面図である。尚、本計測方法では、テンプレートマッチング以外にエッジ位置計測処理等を用いることができる。また、第１計測方法では、サーチマークＭ１，Ｍ２の位置計測処理に異なるアルゴリズムを用いていたが、本計測方法はサーチマークＭ１，Ｍ２の位置計測処理に同じアルゴリズムを用いる場合、異なるアルゴリズムを用いる場合の双方の場合に適用することができる。

サーチ計測が開始されると、主制御系ＭＣは、サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ２１がアライメントセンサ２１の計測視野に配置されるようウェハＷを移動させ（ステップＳ２１）、サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ２１を撮像する（ステップＳ２２）。サーチマークＭ１に関する計測対象領域Ｐ２１の撮像を終えると、主制御系ＭＣは、サーチマークＭ２の計測のためにウェハＷの移動を開始する（ステップＳ２３）。

また、主制御系ＭＣは、アライメントセンサ２１から供給された画像信号に対してエッジ位置計測処理を行い、サーチマークＭ１の位置情報を計測する（ステップＳ２４）。次いで、主制御系ＭＣは、ステップＳ２２で得られた画像信号からサーチマークＭ２を計測すべき領域である特定領域を設定する（ステップＳ２５）。ここで、特定領域としては、例えば図８中のサーチマークＭ２が含まれる領域Ｒ３を設定する。図８に示す通り、サーチマークＭ１，Ｍ２の周囲には同様のパターンが形成されているため、計測対象領域Ｐ２１の画像信号からサーチマークＭ２を計測すべき領域である特定領域を特定できる。

以上の処理を終えると、主制御系ＭＣは、移動中のウェハＷを減速させ、サーチマークＭ２に関する計測対象領域Ｐ２２をアライメントセンサ２１の計測視野に配置し（ステップＳ２６）、アライメントセンサ２１でサーチマークＭ２に関する計測対象領域Ｐ２２を撮像する（ステップＳ２７）。アライメントセンサ２１から画像信号が供給されると、主制御系ＭＣは、画像信号からステップＳ２５で特定した領域に関する信号を抽出し、その抽出した信号を用いてサーチマークＭ２の位置情報を算出する（ステップＳ２８）。

ここではアライメントセンサ２１で撮像されたサーチマークＭ２に関する計測対象領域Ｐ２２の全体ではなく、ステップＳ２５で特定された領域Ｒ３に関する信号のみを用いてサーチマークＭ２の位置計測が行われるため、サーチマークＭ２の位置情報を高速に求めることができる。以上の処理を終えると、サーチマークＭ１，Ｍ２の計測結果からウェハＷのＸ方向及びＹ方向の位置ずれ量並びにウェハＷのＸＹ面内における回転量を補正した上で、ファイン計測に移行する。以上の通り、計測範囲が広いサーチマークＭ１の位置情報計測はウェハＷの移動中に行い、サーチマークＭ２の位置計測は範囲を特定して行っているため、スループットの低下を招かずに短時間で位置計測を行うことができる。

〈第３計測方法〉
図９は、第３計測方法を用いてサーチマークを計測する状態を示す上面図である。本計測方法では、サーチマークが異なる種類のマークを含む場合を対象としており、２つ目のサーチ計測の際には、例えばマークの形状が簡易で計測により時間がかからない方のマークを計測することで、計測スループットの向上を図るものである。図９に示す通り、サーチマークＭ１が「十」形状のマークｍ１１と、それよりも形状が簡易な「−」形状のマークｍ１２とからなり、サーチマークＭ２が「十」形状のマークｍ２１と「−」形状のマークｍ２２とからなる場合を考える。本計測方法では、まず、計測対象範囲Ｐ３１を撮像して得られる画像信号に含まれるマークｍ１１に関する信号からサーチマークＭ１の位置情報（Ｘ，Ｙ方向の位置情報）を計測する。次に、計測対象範囲Ｐ３２を撮像して得られる画像信号に含まれる形状が簡易な方のマークｍ２２に関する信号からサーチマークＭ２の位置情報を計測する。

ここで、サーチマークＭ１の計測結果からウェハＷのＸ，Ｙ方向の位置ずれを求め、サーチマークＭ１，Ｍ２の計測結果からＸＹ面内におけるウェハＷの回転量を計測している。尚、マークｍ１１，ｍ１２、マークｍ２１，ｍ２２、及びサーチマークＭ１，Ｍ２は所定の位置関係をもって配置されているため、これらのマークをアライメントセンサ２１の計測視野に配置することは問題がない。尚、「−」形状のマークｍ２２の計測時間を短縮するために、第２実施形態と同様に、マークの計測範囲を特定しても良い。

尚、以上のサーチ計測を終えると、その計測結果に基づいてウェハＷの位置が補正され、ファイン計測に移行してＥＧＡ計測によりショット領域の配列が求められる。そして、その配列に従ってウェハＷの位置合わせを行って各ショット領域が露光される。

本発明の実施形態による位置計測方法及びデバイス製造方法が用いられる露光装置ＥＸの概略構成を示す側面図である。 ウェハＷの全体を示す平面図である。 ショット領域ＳＡ１の拡大図である。 サーチマークＭ１とアライメントセンサ２１による撮像位置との位置関係を説明するための図である。 サーチマークＭ１，Ｍ２の第１計測方法を示すフローチャートである。 第１計測方法を用いてサーチマークＭ１，Ｍ２を計測する状態を示す上面図である。 サーチマークＭ１，Ｍ２の第２計測方法を示すフローチャートである。 第２計測方法を用いてサーチマークＭ１，Ｍ２を計測する状態を示す上面図である。 第３計測方法を用いてサーチマークを計測する状態を示す上面図である。

符号の説明

ｍ１１，ｍ１２ マーク
ｍ２１，ｍ２２ マーク
Ｐ１１，Ｐ１２ 計測対象領域
Ｐ２１，Ｐ２２ 計測対象領域
Ｐ３１，Ｐ３２ 計測対象領域
Ｗ ウェハ

Claims (9)

1. 物体上の互いに離間した第１領域、及び第２領域を撮像して、前記物体の位置情報を計測する位置計測方法であって、
   前記第１領域を撮像して得られた第１信号と、予め求められている第１テンプレート信号との相関を求めて、前記物体の第１位置情報を求める第１ステップと、
   前記第１領域内を撮像して得られた信号に基づいて、前記第２領域の位置計測に用いる第２テンプレート信号を生成する第２ステップと、
   前記第２領域内を撮像して得られた第２信号と前記第２テンプレート信号との相関を求めて、前記物体の第２位置情報を求める第３ステップと
   を含むことを特徴とする位置計測方法。
2. 前記第２ステップは、前記第１領域内であって且つ該第１領域よりも狭い領域である特定領域を撮像して得られた信号に基づいて、前記第１領域よりも狭い前記第２領域をテンプレートマッチング処理する際に使用する前記第２テンプレート信号を生成するステップであることを特徴とする請求項１記載の位置計測方法。
3. 物体上の互いに離間した複数の領域を検出して、前記物体の位置情報を計測する位置計測方法であって、
   前記物体上の第１領域を検出して得られた第１信号に基づいて、前記物体の第１位置情報を求める第１ステップと、
   前記第１ステップでの検出結果に基づいて、前記第１領域から離間し、且つ該第１領域よりも大きさの小さい第２領域を特定する第２ステップと、
   前記第２領域を検出して得られた第２信号に基づいて、前記物体の第２位置情報を求める第３ステップと
   を含むことを特徴とする位置計測方法。
4. 前記第１ステップ及び前記第３ステップは、共に同一の位置算出手法を用いて前記物体の位置情報を求めることを特徴とする請求項３記載の位置計測方法。
5. 前記第１ステップ及び前記第３ステップは、互いに異なる位置算出手法を用いて前記物体の位置情報を求めることを特徴とする請求項３記載の位置計測方法。
6. 物体上の互いに離間した第１領域、及び第２領域を検出して、前記物体の位置情報を計測する位置計測方法であって、
   前記第１領域を検出して得られた第１信号に対して、第１位置算出手法を用いて前記物体の第１位置情報を求める第１ステップと、
   前記第２領域を検出して得られた第２信号に対して、前記第１位置算出手法とは異なる第２位置算出手法を用いて前記物体の第２位置情報を求める第２ステップと
   前記第１ステップの検出結果と前記第２ステップの検出結果とに基づいて、前記物体の全体的な伸縮、及び回転を求める第３ステップと
   を含むことを特徴とする位置計測方法。
7. 前記第１位置算出手法が前記第１位置情報を求めるのに要する時間は、前記第２位置算出手法が前記第２位置情報を求めるのに要する時間よりも長いことを特徴とする請求項６記載の位置計測方法。
8. 前記物体上には所定のパターンが繰り返される繰り返しパターンが形成されており、
   前記第１領域及び前記第２領域は、前記所定のパターンの少なくとも一部が共に含まれるように前記物体上に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の位置計測方法。
9. 請求項１から請求項８の何れか一項に記載の位置計測方法を用いて、前記物体としての基板の位置情報を計測する工程と、
   前記計測工程の計測結果に基づいて位置決めされた前記基板上に、所定のデバイスパターンを露光転写する工程と
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
   

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