JP2008010793A - 露光位置マークの位置ずれ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】露光位置マークにを的確に認識して、その測定結果に基づいて露光位置の位置ずれ量を正確かつ効率的に検出できるようにする。
【解決手段】露光位置マークを、内側の四角形パターン１０ａと外側の四角形パターン１０ｂとからなる第１のパターンと、内周と外周が四角形パターン２０ａ、２０ｂに形成された矩形枠状の第２のパターンとによって構成し、第１と第２のパターンの重心位置を一致させ、第１のパターンの内側の四角形パターン１０ａと外側の四角形パターン１０ｂとに挟まれた領域内に、前記第２のパターンを配置させるねらいで形成し、前記第１のパターンの内側の四角形パターン１０ａと前記第２のパターンの内周の四角形パターン２０ａとの重心位置のずれ量を検出した測定値と、前記第１のパターンの外側の四角形パターン１０ｂと前記第２のパターンの外周の四角形パターン２０ｂとから重心位置のずれ量を検出した測定値とを平均して露光位置の位置ずれ量を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体あるいは薄膜磁気ヘッド等の製造工程において、露光位置の位置ずれを検知するために設けられた露光位置マークの位置ずれ検出方法に関する。

半導体あるいは薄膜磁気ヘッド等の製造工程においては、フォトリソグラフィー法によって所要の導体パターンや絶縁層のパターンを形成することが行われる。これらの製造工程では、導体パターンや絶縁層のパターンを積層して形成する際にパターンがどの程度位置ずれしているかを検知し、露光位置が許容範囲内にあるか否かを検査し、また、位置ずれ量を露光装置にフィードバックして高精度の露光操作がなされるようにしている。

露光位置マークの位置ずれは、ワークの端縁部などの製品に影響を与えない部位に露光位置マークを形成し、下層と上層に設けた露光位置マークを画像認識して位置ずれを検出する。
露光位置マークには種々の形状があるが、図６は、四角形の露光位置マークを使用して位置ずれ量を検知する例である。図６（ａ）は正方形パターンを使用する場合、図６（ｂ）はバー状のパターンを四角形配置とした例である。図６（ａ）では、前工程で形成した正方形パターン５よりも後工程で形成する正方形パターン６を大きな正方形に形成し、正方形パターン６の内側に正方形パターン５が位置するようにしている。図６（ｂ）では、前工程で形成したバー状のパターン７を囲むように後工程で形成するパターン８を配置している。
図６（ａ）、（ｂ）のいずれの場合も、正方形パターン５、６の重心位置、バー状のパターン７、８によって囲まれる四角形の重心位置を各々検知し、重心位置の位置ずれ量から露光位置の位置ずれを検知する。
特開平１１−１２６７４６号公報 特開２００１−３３２４６６号公報 特開２００３−２４３２９７号公報

図６では、前工程で形成する露光位置マークを後工程で形成する露光位置マークよりも小さくしているが、前工程で大きなマークを形成し、後工程で小さなマークを形成してもよい。マークの大きさを変えて、大きなマークの内側に小さなマークを配置するようにしているのは、１回の画像の取り込みで露光位置マークを検知してこれらのマーク位置から位置ずれを検知できるようにするためである。
図６に示すように、前工程と後工程でのマークの重心位置がずれている場合、たとえば、図６の配置で位置ずれを検知した場合と、図６の配置を１８０度回転させて検知した場合とでは、原理的に同一の位置ずれ量として検知される筈であるが、実際には、同一の検知結果になるとは限らない。このため、マークを所定方向から画像認識した測定結果と、１８０度回転した位置からの測定結果を平均して位置ずれ量を求めるといったことも行っている。

このようなばらつきは、露光位置マークを画像認識する際に、パターンのエッジ部分などを正確に検知できないために生じるといったパターンの形状に起因する場合と、露光位置マークを測定する際に不可避的に生じる原因による場合がある。この原因としては、測定光学系に用いられるレンズの収差、前工程と後工程で形成される露光位置マークは積層方向に異なる位置に形成されるから高さ位置が異なる配置となっていること、露光位置マーク自体が所定の膜厚に形成されるから、測定方向によってマークの形状がずれて認識されるといった理由が考えられる。

図６（ｂ）に示すバー状のパターンを備えるマークは、特に低段差の場合に、正方形パターンのマークにくらべてマーク位置を認識しやすくする形態として使用される。しかしながら、このようにマークの形態を変えたとしても、マークの測定装置やマークの膜厚等に起因する測定値のばらつきを解消することはできない。
半導体あるいは薄膜磁気ヘッドの製造においては、現在はナノメータレベルでパターンを制御している。このように、きわめて高精度の位置合わせが求められるようになると、従来は問題にならなかったような測定方法に起因する測定値のばらつきについても制御することが必要になってくる。

位置合わせを評価する際には、測定精度だけではなく、位置合わせマークが実デバイスを忠実に反映しているかも重要である。露光装置のレンズ収差（コマ収差など）は、パターン寸法により露光位置にずれを発生させることがある。従来のボックスマークでは、必然的に大小２つのパターンを形成しなければならないため、デバイスそのもののずれ以外に、露光装置の収差によるずれが加わる可能性がある。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、位置ずれを検知する露光位置マークを的確に認識し、その測定結果に基づいて露光位置の位置ずれ量の検出を正確にかつ効率的に行うことを可能にする露光位置マークの位置ずれ検知方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
すなわち、前工程と後工程においてワークに形成した露光位置マークを検知し、これらの露光位置マークの位置ずれから露光位置の位置ずれを検知する露光位置マークの位置ずれ検出方法において、前記露光位置マークを、内側の四角形パターンと外側の四角形パターンとからなる第１のパターンと、内周と外周が四角形パターンに形成された矩形枠状の第２のパターンとによって構成し、前記前工程と後工程において、前記第１のパターンと前記第２のパターンのいずれかを、前記第１と第２のパターンの重心位置を一致させ、前記第１のパターンの内側の四角形パターンと外側の四角形パターンとに挟まれた領域内に、前記第２のパターンを配置させるねらいで形成し、該露光位置マークを画像検知した結果に基づいて、前記第１のパターンの内側の四角形パターンと前記第２のパターンの内周の四角形パターンとの重心位置のずれ量を検出した測定値と、前記第１のパターンの外側の四角形パターンと前記第２のパターンの外周の四角形パターンとから重心位置のずれ量を検出した測定値とを平均して露光位置の位置ずれ量を求めることを特徴とする。
また、前記四角形パターンとしては、正方形パターンに形成することが有効であり、また、前記四角形パターンにかえて、バー状に形成したパターンを四角形配置に形成することも有効である。

また、前工程と後工程においてワークに形成した露光位置マークを検知し、これらの露光位置マークの位置ずれから露光位置の位置ずれを検知する露光位置マークの位置ずれ検出方法において、前記露光位置マークを、一対の四角形パターンからなる第１のパターンと、該第１のパターンと交差配置となる他の一対の四角形パターンからなる第２のパターンとによって構成し、前記前工程と後工程において、前記第１のパターンと前記第２のパターンのいずれかを、前記第１のパターンと第２のパターンの重心位置を一致させるねらいで形成し、該露光位置マークを画像検知した結果に基づいて、前記第１のパターンの重心位置を検出して得た測定値と、前記第２のパターンの重心位置を検出して得た測定値との平均値から露光位置の位置ずれ量を求めることを特徴とする。
また、前記四角形パターンを、互いに同一寸法の正方形パターンに形成することが有効であり、前記四角形パターンにかえて、バー状に形成したパターンを四角形配置に形成することも有効である。

本発明に係る露光位置マークの位置ずれ検知方法によれば、第１のパターンと第２のパターンを内外の相対位置関係に配置した露光位置マークを使用する場合には、第１のパターンと第２のパターンの相対位置に基づくばらつきを位置ずれ量から相殺するようにして求めることができ、露光位置マークの位置ずれを高精度に検出することができる。また、パターンを２重に配置する構成とすること、パターンを交差配置とすることによって、パターンの重心位置を平均化して得ることができ、これによって位置ずれ検出制度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面とともに詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る露光位置マークの位置ずれ検出方法において、マークの位置ずれを検出するために前工程と後工程においてそれぞれ形成する露光位置マークの例を示す。
図１（ａ）は、前工程において形成する露光位置マークを示す。この露光位置マークは、大小二つの正方形パターン１０ａ、１０ｂを各々の重心位置を一致させ、辺方向を互いに平行配置として形成したものである。

図１（ｂ）、（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、下地層に正方形パターン１０ａ、１０ｂを形成する例を示す。図１（ｂ）は、下地層に、内側の正方形パターン１０ａとなるパターン１２ａと、外側の正方形パターン１０ｂとなるパターン１２ｂを形成した例である。図１（ｃ）は、下地層に枠状のパターン１２ｃを形成して、内側の正方形パターン１０ａと外側の正方形パターン１０ｂを形成した例である。正方形パターン１０ａ、１０ｂは、パターンの縁部分としてあらわれるから、図１（ｂ）に示すように下地層に対して凸状のパターンとして形成することもできるし、図１（ｃ）に示すように凹部状のパターンとして形成することもできる。

これらの露光位置マークとなるパターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃは製造工程によって種々異なるものであり、露光位置マークの形成方法はとくに限定されるものではない。すなわち、導体パターンを形成する工程においては、導体パターンによってこれらのパターンを形成することもあるし、絶縁層を形成する工程では、所定のパターンに絶縁層を形成することによって露光位置マークとすることもある。また、所定パターンにパターニングするためにレジスト層を設けてレジストを露光および現像してレジストパターンとして形成するといったこともある。

図１（ｄ）は、前工程で形成した露光位置マークに位置合わせして、後工程で露光位置マークを形成した状態を示す。後工程で形成する露光位置マークは、内周および外周を正方形パターン２０ａ、２０ｂとした正方形の枠体状に形成したものである。正方形パターン２０ａ、２０ｂは、重心位置を一致させ、辺方向を互いに平行にして形成する。
図のように、後工程で形成する正方形パターン２０ａ、２０ｂは、前工程で形成した内側の正方形パターン１０ａと外側の正方形パターン１０ｂに挟まれた枠状の領域内に、前工程と後工程で形成するパターンの重心位置を一致させるねらいに形成する。

図１（ｅ）、（ｆ）は、図１（ｄ）のＢ−Ｂ線断面図であり、前工程で形成した正方形パターン１０ａ、１０ｂの上層にパターン２２を形成し、正方形パターン２０ａ、２０ｂを表示するようにした状態を示す。パターン２２は、正方形の枠状に形成される。
このように、露光位置マークを前工程と後工程とで各々同心配置となるように、２重の正方形パターンを形成し、正方形パターンの重心位置から位置ずれを検出する方法によれば、従来の１重の正方形パターンによって位置ずれを検知する方法と比較して、高精度に位置ずれを検出することが可能になる。

（位置ずれ検出方法）
本実施形態においては、次のようにして位置ずれ量を検出する。すなわち、（１）前工程で形成した内側の正方形パターン１０ａと、後工程で形成した内周の正方形パターン２０ａの重心位置を検出して相互の重心位置の位置ずれ量を検出し（測定値Ｄ１）、（２）前工程で形成した外側の正方形パターン１０ｂと、後工程で形成した外周の正方形パターン２０ｂの重心位置を検出して相互の重心位置の位置ずれ量を検出し（測定値Ｄ２）、（３）これらの測定値Ｄ１、Ｄ２の平均値を求めて露光位置の位置ずれ量とする。

（１）の測定方法によって検出した測定値Ｄ１と、（２）の測定方法によって検出した測定値Ｄ２とを比較すると、前工程で形成した正方形パターンと後工程で形成した正方形パターンの相対的な配置位置が逆配置となるから、測定値Ｄ１と測定値Ｄ２には次の関係が成り立つ。
（測定値Ｄ１）＝（真値）＋（シフト量α）＋（シフト量β）
（測定値Ｄ２）＝−（真値）＋（シフト量α）−（シフト量β）
測定値Ｄ２は、正方形パターンの配置が逆転するから、測定値がマイナス値になる。シフト量αは、前工程で形成した正方形パターンと後工程で形成した正方形パターンの相対的な位置関係に起因してあらわれるシフト量であり、シフト量βは測定系等に起因してあらわれるシフト量である。

測定値Ｄ１と測定値Ｄ２を平均し、正方形パターン１０ａ、１０ｂと正方形パターン２０ａ、２０ｂによる位置ずれ量は次式で表される。
（測定値Ｄ）＝｛（測定値Ｄ１）−（測定値Ｄ２）｝／２＝（真値）＋（シフト量β）
すなわち、測定値Ｄ１と測定値Ｄ２とを平均することにより、正方形パターンの相対的な位置関係に起因するシフト量αが相殺され、パターンの膜厚や測定系に起因するシフト量βが残ることになる。

図２は、正方形パターン１０ａ、１０ｂと正方形パターン２０ａ、２０ｂとの相対的位置関係を示す図である。上記実施形態では、前工程で正方形パターン１０ａ、１０ｂを形成し、後工程で正方形パターン２０ａ、２０ｂを形成したが、２重に配置した正方形パターンに基づいて位置ずれを検出する方法は、正方形パターンの相対位置関係に関わるのみであり、正方形パターンの形成順序に依存するものではない。

上述した本実施形態での位置ずれ検出方法は、正方形パターン１０ａ、１０ｂを第１のパターンとし、正方形パターン２０ａ、２０ｂを第２のパターンとすると、測定値Ｄ１は、第１のパターンの外側に第２のパターンが位置する関係で求められるのに対して、測定値Ｄ２は、第２のパターンの外側に第１のパターンが位置する関係によって求められ、測定値Ｄ１と測定値Ｄ２とでパターンの相対位置関係が逆転していることが特徴である。したがって、これらの測定値の平均をとることにより、第１のパターンと第２のパターンのインナーとアウターによる相対配置に起因する誤差が相殺され、測定精度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の位置ずれ検知方法では、２重の正方形パターンを使用することによって、２組の正方形パターンのデータから位置ずれが検知され、ランダムな原因に基づくばらつきを低減することができる。従来は１組の正方形パターンのデータのみから位置ずれを検知していることと比べると、この点からも本実施形態の位置ずれ検知方法によって位置ずれ検出精度を向上させることが可能となる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明に係る露光位置マークの位置ずれ検出方法において使用する他の露光位置マークの例を示す。本実施形態の露光位置マークは、バー状のパターンを四角形配置したもので、第１のパターンとして、内側のバー状のパターン３０ａと外側のバー状のパターン３０ｂをそれぞれ四角形配置したものを用い、第２のパターンとして内側のバー状のパターン４０ａと外側のバー状のパターン４０ｂをそれぞれ四角形配置としたものを用いる。

パターン３０ａ、３０ｂは各々の四角形配置の重心位置を一致させ、辺方向を平行とした正方形配置に形成される。パターン４０ａ、４０ｂについても、各々の四角形配置の重心位置を一致させ辺方向を平行とした正方形配置に形成される。第２のパターンであるパターン４０ａ、４０ｂは、第１のパターンであるパターン３０ａ、３０ｂによって囲まれた枠体領域内に配置される。
第１のパターンと第２のパターンとは、前工程と後工程のいずれで形成してもよく、第１のパターンと第２のパターンとは重心位置が一致するねらいで形成される。

本実施形態においても、第１のパターンであるパターン３０ａと第２のパターンであるパターン４０ａとから各々の四角形の重心位置を検出し、第１のパターンであるパターン３０ｂと第２のパターンであるパターン４０ｂとから各々の四角形の重心位置を検出し、これらの測定値を平均化することによって第１の実施の形態におけると同様な精度で露光位置の位置ずれ量を検出することができる。

（第３の実施の形態）
図４は、本発明に係る露光位置マークの位置ずれ検出方法において使用するさらに他の露光位置マークの例を示す。本実施形態の露光位置マークは、同一形状、大きさに形成した第１のパターンである正方形パターン５０ａ、５０ｂと、第２のパターンである正方形パターン６０ａ、６０ｂとを交差配置とした例である。
これら第１のパターンと第２のパターンとは異なる工程で形成する露光位置マークである。第１のパターンと第２のパターンとを形成する際には、設計上は、第１のパターンである正方形パターン５０ａ、５０ｂの各々の重心位置の重心と、第２のパターンである正方形パターン６０ａ、６０ｂの重心位置の重心とが一致するようにする。

位置ずれを検出する際には、第１のパターンである正方形パターン５０ａ、５０ｂと第２のパターンである正方形パターン６０ａ、６０ｂを画像認識してそれぞれの重心位置を検出し、一対の正方形パターン５０ａ、５０ｂの重心位置と一対の正方形パターン６０ａ、６０ｂの重心位置の位置ずれを検出して、露光位置の位置ずれ量とする。正方形パターン５０ａ、５０ｂと正方形パターン６０ａ、６０ｂを交差配置とすることで、露光位置の位置ずれが重心位置の位置ずれ量として検知できる。

本実施形態では、一対の正方形パターン５０ａ、５０ｂから求めた重心位置と他方の一対の正方形パターン６０ａ、６０ｂから求めた重心位置に基づいて露光位置の位置ずれ量を検出するから、図６に示すような、一対の四角形パターンに基づいて位置ずれ量を検出する方法と比較して、位置ずれ量の検知精度を向上させることができる。
また、本実施形態では、露光位置マークを同一形状の正方形とすることで、図１に示すような大きさが異なる正方形のパターンを形成する場合と比較してマークを形成しやすいという利点もある。
本実施形態では、前工程と後工程で同じ寸法のマークを形成するので、露光装置の収差やプロセスの影響を受けないという利点もある。

（第４の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態の変形例で、正方形パターンにかえてバー状のパターンを四角形配置とした例である。本実施形態においては、第１のパターンとして、バー状のパターンを四角形配置としたパターン７０ａ、７０ｂを形成し、第２のパターンとして、バー状のパターンを四角形配置としたパターン８０ａ、８０ｂを形成する。パターン７０ａ、７０ｂおよびパターン８０ａ、８０ｂはすべて同一の四角形配置に形成される。第１のパターンと第２のパターンとは、パターンを交差配置とし、重心位置が一致するねらいで形成する。

本実施形態においても、第３の実施の形態におけると同様に、パターン７０ａ、７０ｂとパターン８０ａ、８０ｂを画像認識し、それぞれのパターンによって構成される四角形の重心位置を検知し、一対のパターン７０ａ、７０ｂから求めた重心位置と、他方の一対のパターン８０ａ、８０ｂから求めた重心位置に基づいて露光位置の位置ずれ量を検出する。本実施形態の場合も、パターンは同一形状に形成し、図３に示すように、大小の四角形配置にパターンを形成する必要がない点でパターンが形成しやすいという利点がある。また、一対のパターン同士の重心位置を検出することで、精度のよい露光位置の位置ずれ検出が可能になる。

露光位置マークの位置ずれを検出する際に使用するマークの構成を示す説明図である。 露光位置マークとして使用する正方形パターンの例を示す平面図である。 露光位置マークとして使用するバー状のパターンの例を示す平面図である。 露光位置マークとして正方形パターンを交差配置とした例を示す平面図である。 露光位置マークとしてバー状のパターンを交差配置とした例を示す平面図である。 従来の露光位置マークを示す平面図である。

符号の説明

５、６ 正方形パターン
７、８ バー状のパターン
１０ａ、１０ｂ 正方形パターン
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２ パターン
２０ａ、２０ｂ 正方形パターン
３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ バー状のパターン
５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ 正方形パターン
７０ａ、７０ｂ、８０ａ、８０ｂ バー状のパターン

Claims (6)

1. 前工程と後工程においてワークに形成した露光位置マークを検知し、これらの露光位置マークの位置ずれから露光位置の位置ずれを検知する露光位置マークの位置ずれ検出方法において、
   前記露光位置マークを、内側の四角形パターンと外側の四角形パターンとからなる第１のパターンと、内周と外周が四角形パターンに形成された矩形枠状の第２のパターンとによって構成し、
   前記前工程と後工程において、前記第１のパターンと前記第２のパターンのいずれかを、前記第１と第２のパターンの重心位置を一致させ、前記第１のパターンの内側の四角形パターンと外側の四角形パターンとに挟まれた領域内に、前記第２のパターンを配置させるねらいで形成し、
   該露光位置マークを画像検知した結果に基づいて、前記第１のパターンの内側の四角形パターンと前記第２のパターンの内周の四角形パターンとの重心位置のずれ量を検出した測定値と、前記第１のパターンの外側の四角形パターンと前記第２のパターンの外周の四角形パターンとから重心位置のずれ量を検出した測定値とを平均して露光位置の位置ずれ量を求めることを特徴とする露光位置パターンの検出方法。
2. 前記四角形パターンを、正方形パターンに形成することを特徴とする請求項１記載の露光位置パターンの検出方法。
3. 前記四角形パターンにかえて、バー状に形成したパターンを四角形配置に形成することを特徴とする請求項１記載の露光位置パターンの検出方法。
4. 前工程と後工程においてワークに形成した露光位置マークを検知し、これらの露光位置マークの位置ずれから露光位置の位置ずれを検知する露光位置マークの位置ずれ検出方法において、
   前記露光位置マークを、一対の四角形パターンからなる第１のパターンと、該第１のパターンと交差配置となる他の一対の四角形パターンからなる第２のパターンとによって構成し、
   前記前工程と後工程において、前記第１のパターンと前記第２のパターンのいずれかを、前記第１のパターンと第２のパターンの重心位置を一致させるねらいで形成し、
   該露光位置マークを画像検知した結果に基づいて、前記第１のパターンの重心位置を検出して得た測定値と、前記第２のパターンの重心位置を検出して得た測定値との平均値から露光位置の位置ずれ量を求めることを特徴とする露光位置パターンの検出方法。
5. 前記四角形パターンを、互いに同一寸法の正方形パターンに形成することを特徴とする請求項４記載の露光位置パターンの検出方法。
6. 前記四角形パターンにかえて、バー状に形成したパターンを四角形配置に形成することを特徴とする請求項４記載の露光位置パターンの検出方法。