JP2009224523A - 露光方法、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストアップを生じず、高いオーバーレイ精度かつ高いスループットで基板の重ね合わせ誤差量の補正を可能にする。
【解決手段】 マークの位置情報を含む電気信号を評価基準に従って評価して第１評価値を得る。そして、前記第１評価値と、他の露光装置の位置検出器における電気信号を前記評価基準に従って評価して得られた第２評価値と、前記他の露光装置が発生させる第２重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる第１重ね合わせ誤差を推定する。そして、前記露光装置の前記マークの位置を検出する位置検出器からの出力と推定した第１重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる重ね合わせ誤差が前記第１重ね合わせ誤差よりも小さくなるように基板を位置決めしながら該基板を露光する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、照明光学系と位置検出手段と被検物体の検出信号の評価値を算出する手段を備えた位置検出装置を備えた露光装置の露光方法、その露光装置及びデバイス製造方法に関する。

フォトリソグラフィー技術を用いて半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等のデバイスを製造する際、レチクル（フォトマスク）に描画されたパターンを投影光学系によりウエハ等に投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。この転写を行う際、ウエハ上にすでに形成されたパターンに対して、投影光学系を介して形成されるマスクパターンの投影像を、投影露光装置に搭載されたアライメント検出系によって位置合わせを行った後に、露光を行う。

投影露光装置においては、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、より高い解像力でレチクルのパターンをウエハに投影して露光することが要求されている。投影露光装置で転写できる最少の線幅（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（Ｎ．Ａ．）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど解像度は高くなる。このため、近年の光源は超高圧水銀ランプｇ線（波長約４３６ｎｍ）及びｉ線（波長約３６５ｎｍ）から波長の短いＫｒＦエキシマレーザ（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長約１９３ｎｍ）を照射するものになってきている。さらには、Ｆ_２レーザ（波長約１５７ｎｍ）を照射する光源の実用化も進んでおり、将来的には波長が数ｎｍ〜百ｎｍの極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：ＥＵＶ光）を照射する光源の採用も見込まれている。

また近年、投影光学系とウエハとの間の少なくとも一部に屈折率が１よりも大きい液体を浸してＮ．Ａ．の増大を図ることにより解像度を向上させている液浸露光装置も登場している。この液浸露光装置は、ウエハと投影光学系におけるウエハ側の先端面を構成する光学素子との間の空間に、フォトレジスト層の屈折率に近い屈折率を有する液体が充填されている。このように液体を充填させることにより、ウエハ側から見た投影光学系の有効開口数が増加し、解像度を向上させることができる。

このように露光光の短波長化や液浸法の登場によりますます解像度の向上が進み、ウエハの重ね合わせ誤差量の補正精度（以下、オーバーレイ精度）もまた高精度化が求められている。通常、オーバーレイ精度には解像度を表現するために必要な精度の１／５程度の精度が必要とされており、今後半導体素子の微細化が進むにつれオーバーレイ精度の向上がますます重要となってくる。

アライメント検出系の形態としては大きく２つの種類のものが開示及び使用されている。１つ目は、アライメント検出系が投影光学系を介さず個別に構成されていて、ウエハ上のアライメントマークを光学的に検出する所謂オフアクシスアライメント検出系（Ｏｆｆ−ａｘｉｓ ＡＡ、以下ＯＡ検出系）である。２つ目は、特にｉ線露光装置でのアライメント方式としてＴＴＬ−ＡＡ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓ Ａｕｔｏ Ａｌｉｇｍｅｎｔ）方式の投影光学系を介して非露光光のアライメント波長を用いてウエハ上のアライメントマークを検出するものである。

実際のウエハアライメントの際には製造プロセスに起因するウエハプロセス誤差（以下、ＷＩＳ（Ｗａｆｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ））が発生することがあり、半導体デバイスの性能及び半導体デバイス製造の歩留まりを低下させる要因となっていた。ＷＩＳの一例としては、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）工程等の平坦化プロセスの影響により、アライメントマークの構造が非対称となってしまうものやウエハに塗布するレジスト形状が非対称になるものがある。

他にもウエハアライメントの際の誤差要因に、アライメント検出系のＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）が上げられる。アライメント検出系のＴＩＳとしては、アライメント検出系自身に残存する収差（特に偏芯によるコマ収差）や該検出系内の光学系の光軸の傾き（以下、光軸ずれ）などがある。これらのＷＩＳやＴＩＳ、さらにＷＩＳとＴＩＳとの相乗効果によってウエハのオーバーレイ精度が低下するという問題があった。

そこでウエハのオーバーレイ精度を向上させる為に、例えば以下の方法が一般的に用いられている。ある実素子ウエハを実際に露光し、重ね合わせ検査装置の検査結果に基づく重ね合わせ誤差量から算出される露光オフセット（ウエハの倍率成分、回転成分及びシフト成分）を決定し、補正するという方法である。このような重ね合わせ検査装置を用いて露光オフセットを求める技術は、例えば特許文献１に開示されている。しかし、露光オフセットはアライメント検出系の性能（ＴＩＳ）にも起因している。このため、同じ実素子ウエハの露光オフセットであっても、ある露光装置で求めた露光オフセットを他の露光装置の露光オフセットとして適用させることができなかった。つまり、従来は、同じ実素子ウエハを用いて複数の露光装置でアライメントする際、全ての露光装置でその実素子ウエハを露光し重ね合わせ検査装置で検査して、露光装置ごとに露光オフセットを求める必要があった。
特開２００４−１１９４７７号公報

しかしながら、半導体デバイスを製造する際のトータルのスループットを考慮すると、同じ実素子ウエハを露光するにも関わらず、この実素子ウエハに露光を行う全ての露光装置でそれぞれ露光オフセットを求めることは望ましくない。また、全ての露光装置でそれぞれ露光オフセットを求めるためには、重ね合わせ検査装置も複数台必要となりコストアップを招いてしまう。

一方、スループットを重視し、ある露光装置で求めた露光オフセットを他の露光装置の露光オフセットとして適用させると、それぞれの露光装置内のアライメント検出系でのＴＩＳは異なるため、アライメント精度が低下してしまう。このため、半導体デバイスの性能及び半導体デバイス製造の歩留まりが低下してしまうと言う問題があった。

そこで、本発明は、コストアップを生じず、高いオーバーレイ精度かつ高いスループットで基板の重ね合わせ誤差量の補正を可能にすることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、マークの位置情報を含む電気信号を処理して該マークの位置を検出する位置検出器からの出力に基づいて基板を位置決めしながら該基板を露光する露光装置を用いて基板を露光する露光方法であって、前記電気信号を評価基準に従って評価して第１評価値を得る評価工程と、前記第１評価値と、他の露光装置の位置検出器における電気信号を前記評価基準に従って評価して得られた第２評価値と、前記他の露光装置が発生させる第２重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる第１重ね合わせ誤差を推定する推定工程と、前記露光装置において、前記露光装置の前記位置検出器からの出力と前記推定工程で推定した第１重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる重ね合わせ誤差が前記第１重ね合わせ誤差よりも小さくなるように基板を位置決めしながら該基板を露光する工程と、を含むことを特徴とする。

また、その露光装置及びデバイス製造方法である。

本発明によれば、コストアップを生じず、高いオーバーレイ精度かつ高いスループットで基板の重ね合わせ誤差量の補正を可能にすることができる。

本発明は高いオーバーレイ精度かつ高いスループットで基板（ウエハ）の重ね合わせ誤差量の補正が可能な露光装置を提供することを目的としている。ある実素子ウエハに対する露光オフセットをある露光装置で一度求めると、それ以降はその実素子ウエハを用いてアライメントする全ての露光装置に対して、実素子ウエハを露光し重ね合わせ検査装置で検査することなく露光オフセットを算出することを特徴とする。

また、本発明は、同じ実素子ウエハを露光する露光装置であれば何種類の露光装置に対しても適用することができるだけではなく、１つの装置内に複数の投影光学系やアライメント検出系を備えたタイプの露光装置などに対しても適用することができる。

以下、本発明を半導体露光装置や液晶露光装置内に搭載されるアライメント検出系内へ適用した例について図面を参照しながら説明する。本発明の説明には図１の露光装置と図３のアライメント検出系を用いる。

図１において、この露光装置は、レチクル１を支持するレチクルステージ２と、ウエハ３を支持するウエハステージ４と、レチクルステージ２に支持されているレチクル１を露光光で照明する照明光学系５とを備えている。また、露光光で照明されたレチクル１のレチクルパターン像をウエハステージ４に支持されたウエハ３に投影して露光する投影光学系６と、露光装置全体の動作を統括して制御する制御装置（不図示）とを備えている。

ここでは、露光装置としてレチクル１とウエハ３とを走査方向に互いに同期して移動させつつレチクル１に形成されたレチクルパターンをウエハ３に露光する走査型露光装置（スキャニングステッパー）を使用する場合を例にして説明する。なお本発明はレチクル１を固定しレチクルパターンをウエハ３に露光するタイプの露光装置（ステッパー）にも適用することができる。以下の説明において、投影光学系６の光軸方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な平面内においてレチクル１及びウエハ３の移動方向（走査方向）をＹ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわり方向をそれぞれ、θＸ、θＹ及びθＺ方向とする。

レチクル１上の所定の照明領域は、照明光学系５により均一な照度分布の露光光で照明される。照明光学系５から照射される露光光としては、これまで主流だった水銀ランプによる光に代わって、ＫｒＦエキシマレーザが用いられるようになってきており、さらに短波長のＡｒＦエキシマレーザやＦ_２レーザの実用化が進められている。また、より微細な半導体素子等を製造するために、露光光として波長が数ｎｍ〜百ｎｍの極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：ＥＵＶ光）を使用した露光装置の開発も行われつつある。

レチクルステージ２は、レチクル１を支持するものであって、投影光学系６の光軸に垂直な平面内、すなわちＸＹ平面内で２次元移動可能及びθＺ方向に微小回転可能である。レチクルステージ２は１軸駆動から６軸駆動のいずれでも良い。レチクルステージ２はリニアモータ等のレチクルステージ駆動装置（不図示）により駆動され、レチクルステージ駆動装置は制御装置により制御される。レチクルステージ２上にはミラー７が設けられている。また、このミラー７に対向する位置にはこのミラー７の位置を計測するためのＸＹ方向用のレーザ干渉計９が設けられている。レチクルステージ２上のレチクル１の２次元方向の位置、及び回転角はこのレーザ干渉計９によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御装置に出力される。制御装置はこのレーザ干渉計９の計測結果に基づいてレチクルステージ駆動装置を駆動することでレチクルステージ２に支持されているレチクル１の位置決めを行う。

投影光学系６は、レチクル１のレチクルパターンを所定の投影倍率βでウエハ３に投影して露光するものであって、複数の光学素子で構成されている。本実施形態において、投影光学系６は、投影倍率βが例えば１／４あるいは１／５の縮小投影系である。

ウエハステージ４はウエハ３を支持するものであって、ウエハ３をウエハチャックを通して保持するＺステージと、Ｚステージを支持するＸＹステージと、ＸＹステージを支持するベースとを備えている。ウエハステージ４はリニアモータ等のウエハステージ駆動装置（不図示）により駆動される。ウエハステージ駆動装置は制御装置により制御される。

また、ウエハステージ４上にはウエハステージ４とともに移動するミラー８が設けられている。また、このミラー８に対向する位置にはミラー８を計測するためのＸＹ方向用のレーザ干渉計１０とウエハステージ上のミラー８を計測するためのＺ方向用のレーザ干渉計１２が設けられている。ウエハステージ４のＸＹ方向の位置及びθＺはレーザ干渉計１０によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御装置に出力される。また、ウエハステージ４のＺ方向の位置、θＸ、θＹについてはこのレーザ干渉計１２によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御装置に出力される。これらレーザ干渉計１０及び１２の計測結果に基づいてウエハステージ駆動装置を通してＸＹＺステージを駆動することでウエハ３のＸＹＺ方向における位置を調整し、ウエハステージ４に支持されているウエハ３の位置決めを行う。

レチクルステージ２の近傍には、レチクルアライメント検出系１３が設けられている。レチクルアライメント検出系１３は、レチクルステージ上に配置されているレチクル１上の不図示のレチクル基準マークと、ウエハステージ４上のステージ基準プレート１１にあるレチクルアライメント検出系用基準マーク１７（図２参照）と、を検出する。なお、レチクルアライメント検出系用基準マーク１７は投影光学系６を通して検出される。実際にウエハ３を露光する光源と同一の光源により、レチクル基準マークとレチクルアライメント検出系用基準マーク１７とは照射される。そして、このレチクルアライメント検出系１３は、例えばＣＣＤカメラなどの光電変換素子を搭載し、レチクル基準マークとレチクルアライメント検出系用基準マーク１７からの反射光を検出している。

この光電変換素子の信号を元に、レチクルとウエハの位置合わせを行う。この時、レチクル基準マークとレチクルアライメント検出系用基準マーク１７の位置及びフォーカスを合わせることで、レチクルとウエハの相対位置関係（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を合わせることができる。

また、レチクルアライメント検出系１３により検出されるレチクルアライメント検出系用基準マークは反射型のマークとすることができる。一方、このマークを透過型のレチクルアライメント検出系用基準マークとし、透過型レチクルアライメント検出系１４を用いてレチクルアライメント検出系用基準マークからの透過光を検出することもできる。

透過型レチクルアライメント検出系１４は光量センサーなどを搭載している。この光量センサーなどにより、照明光学系５や投影光学系６を通して実際にウエハ３を露光する光源からレチクル基準マークとレチクルアライメント検出系用基準マーク１７とに照射された透過光を検出する。この時、ウエハステージ４をＸ方向若しくはＹ方向、または、Ｚ方向に駆動させながら透過光の光量を測定することにより、レチクル基準マークとレチクルアライメント検出系用基準マーク１７の位置及びフォーカスを合わせることができる。

このようにレチクルアライメント検出系１３及び透過型レチクルアライメント検出系１４のどちらを用いても、レチクルとウエハの相対位置関係（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を合わせることができる。

ウエハステージ４のコーナーにあるステージ基準プレート１１は、ウエハ３表面とほぼ同じ高さに設置されている。また、位置検出器としてのＯＡ検出系１６が位置検出をするＯＡ検出系用基準マーク１８（図２参照）を備えている。さらに、レチクルアライメント検出系１３または透過型レチクルアライメント検出系１４が検出するレチクルアライメント検出系用基準マーク１７を備えている。このステージ基準プレート１１は、ウエハステージ４の１つのコーナーに配置されていても複数のコーナーに配置されていても良い。また、１つのステージ基準プレート１１は、レチクルアライメント検出系用基準マーク１７及びＯＡ検出系用基準マーク１８をそれぞれ１つずつだけでなく複数ずつ含んでいても良い。また、レチクルアライメント検出系用基準マーク１７とＯＡ検出系用基準マーク１８との位置関係（ＸＹ方向）は既知であるとする。なお、このＯＡ検出系用基準マーク１８とレチクルアライメント検出系用基準マーク１７は共通のマークであっても良い。

フォーカス検出系１５は、フォーカス検出のための検出光をウエハ３の表面に照射する照射系とそのウエハ３からの反射光を受光する受光系とを備えており、フォーカス検出系１５の検出結果は制御装置に出力される。制御装置は、フォーカス検出系１５の検出結果に基づいてＺステージを駆動し、Ｚステージに保持されているウエハ３のＺ軸方向における位置（フォーカス位置）及び傾斜角を調整することが可能である。

ＯＡ検出系１６は、ＯＡ検出のための検出光を被検物体であるウエハ３上のウエハアライメントマーク１９（図２参照）やステージ基準プレート１１上のＯＡ検出系用基準マーク１８に照射する照射系を内部に備えている。さらに、これらのマークからの反射光を受光する受光系を内部に備えている。また、ＯＡ検出系１６の検出結果は制御装置に出力される。制御装置は、ＯＡ検出系１６の検出結果に基づいてウエハステージ４をＸＹ方向に駆動することで、ウエハステージ４に保持されているウエハ３のＸＹ方向における位置を調整することが可能である。

ＯＡ検出系１６を詳細に示したものが図３である。図３中においてＯＡ検出系用照明光源２０（ファイバ等）から導光された光はリレー光学系２１と波長フィルタ板３２とを通り、ＯＡ検出系１６の瞳面（物体面に対する光学的なフーリエ変換面）に当たる位置の開口絞り２２に到達する。このとき開口絞り２２で絞られたビーム径はＯＡ検出系用照明光源２０でのビーム径よりも十分に小さいものとなる。波長フィルタ板３２には透過波長帯の異なるフィルタが複数種挿入されており、制御装置からの命令でフィルタの切換を行う。また開口絞り２２には照明σの異なる絞りが複数種用意されており、制御装置からの命令で絞りの切換を行うことで、照明σを変更することができる。

ＯＡ検出系用照明光源２０から開口絞り２２まで到達した光は、ＯＡ検出系用照明光学系２３を通って偏光ビームスプリッター２４に導かれる。偏光ビームスプリッター２４により反射された紙面に垂直なＳ偏光光はλ／４板２５を透過して円偏光に変換され、対物レンズ２６を通ってウエハ３上に形成されたウエハアライメントマーク１９をケーラー照明する（照明光は図３中の実線で示す）。

ウエハアライメントマーク１９からの反射光、回折光、散乱光は（図３中の１点波線で示す）、再度対物レンズ２６を通りλ／４板２５を通って、今度は紙面に平行なＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター２４を透過する。そして、リレーレンズ２７、第一結像光学系２８、コマ収差調整用光学部材２９、第二結像光学系３０によって、ウエハアライメントマーク１９の像を光電変換素子３１（例えば、ＣＣＤカメラ）上に形成する。そして、光電変換されたアライメントマーク像の位置に基づいて、ウエハ３の位置を検出する。

通常、上記のようなＯＡ検出系１６によりウエハ３上のウエハアライメントマーク１９を観察して位置を検出する場合、ウエハアライメントマーク１９上部に塗布などにより形成された透明層のため、単色光では干渉縞が発生してしまう。そのため、アライメント信号は干渉縞の信号が加算された状態で検出され、高精度な検出ができなくなる。従って、一般的にこうしたＯＡ検出系１６のＯＡ検出系用照明光源２０としては、広帯域の波長を持つものが使用され、干渉縞の少ない信号として検出する。

また、ウエハ３上のウエハアライメントマーク１９を精度良く検出する為には、ウエハアライメントマーク１９の像が明確に検出されなければならない。つまり、ＯＡ検出系１６のピントがウエハアライメントマーク１９に合っていなければならない。そのため、一般に、ＯＡ検出系には不図示のＡＦ検出系が構成されており、ＡＦ検出系の検出結果に基づいて、ウエハアライメントマーク１９をＯＡ検出系１６のベストフォーカス面に駆動して、ウエハアライメントマーク１９の検出を行っている。こうして検出されたウエハアライメントマーク１９の検出信号に基づいて後述の評価値は求められる。

次に、従来の露光装置の露光オフセットの求め方について説明する。ＯＡ検出系のある条件（波長、照明σなど）においてウエハアライメントを行い、ある実素子ウエハの位置合わせを行った後に、その実素子ウエハの露光を行う。露光された実素子ウエハは重ね合わせ検査装置で検査され露光オフセットが算出される。算出された露光オフセットを補正することで露光装置のオーバーレイ精度（ウエハの重ね合わせ誤差量の補正精度）の向上を図っていた。この方法は、露光装置とＯＡ検出系が持つ真のオフセット値を実際に実素子ウエハを露光することで求めて補正していることになる。

次に、従来の複数の露光装置で同じ実素子ウエハを露光する時の露光オフセットの求め方について説明する。図４はある同じ実素子ウエハに対して、露光装置Ａ及びＢでの露光オフセットの求め方について示したものである。まず露光装置Ａ及びＢで別個に同じ実素子ウエハの露光を行い、重ね合わせ検査装置の検査結果に基づいて露光オフセットを求める。このとき露光装置Ａ及びＢでウエハをアライメントする際のＯＡ検出系の条件は同じでも良いし異なっていても良い。算出される露光オフセットはその実素子ウエハのＷＩＳだけでなく、ＯＡ検出系のＴＩＳの影響やＷＩＳとＴＩＳとの相乗効果を受ける為、当然露光オフセットは露光装置Ａ及びＢで異なる値となることもある。上述までで算出された露光装置Ａ及びＢでの露光オフセットを補正することで、それぞれの露光装置Ａ及びＢで誤差のない高精度なオーバーレイを実現することができる（露光オフセットと真のオフセットとの誤差が無い）。

上記の図４を用いた説明では２つの露光装置を用いて説明を行ったが、当然露光装置の数は２つに限定されることはなく、３つ以上の露光装置であっても高精度なオーバーレイを実現する為には同様にそれぞれの露光装置で露光オフセットを取る必要がある。但し、この手法では全ての露光装置でウエハを露光し、全ウエハを重ね合わせ検査装置で検査する必要があるため、スループットの点から望ましくなかった。また、少しでもスループットを上げるために複数の重ね合わせ検査装置を用意するのは、コストアップの点から望ましくなかった。

上記スループットやコスト面を考慮し、ある１つの露光装置で求めた露光オフセットを同じ実素子ウエハを露光する他の露光装置で共通に用いるようにすると、スループットは確かに上がるが、アライメントに誤差が生じオーバーレイ精度が低下する。図５は、露光装置Ａで算出された露光オフセットを露光装置Ｂで共通に用いた場合のオーバーレイ精度を示したものである。露光装置Ａでは実際にウエハを露光し重ね合わせ検査装置で露光オフセットを算出し補正することになるので、誤差はなくなり高精度なオーバーレイを実現することができる。一方、露光装置Ｂでは露光装置ＡとはＯＡ検出系のＴＩＳが異なるため、露光装置Ａと露光装置Ｂとでは真のオフセット量（ｂ）は異なる値を取る。よって露光装置Ａに露光装置Ｂで算出した露光オフセットを用いると、真のオフセット量との誤差が生じ、オーバーレイ精度が低下してしまう。

本発明は上記の課題を解決するためのものである。具体的には、ある露光装置での露光オフセット（第１重ね合わせ誤差）を、別の露光装置でウエハを露光して求めた露光オフセット（第２重ね合わせ誤差）と、第１及び第２の露光装置の第１評価値及び第２評価値と、に基づいて推定することを特徴としている。以下に、本発明を利用した、重ね合わせ誤差の補正方法について説明する。

図６（ａ）の波形はある基板上（実素子ウエハ上）のウエハアライメントマークを露光装置Ｃが検出した際の波形であり、図６（ｂ）の波形は同じマークを露光装置Ｄが検出した際の波形である。図６（ａ）及び（ｂ）の横軸はこれらの波形（電気信号）が含む位置情報に基づくアライメントマークの位置を示しており、縦軸はアライメントマークを検出した際の電気信号の強度（信号強度）を示している。図６（ａ）及び（ｂ）の波形は同じ実素子ウエハ上の同じウエハアライメントマークを計測しているにも関わらず、検出波形が異なっているのは、露光装置Ｃ及びＤにおいてＯＡ検出系のＴＩＳが異なる為である。図６（ａ）及び（ｂ）の波形の同じ位置（部分）での信号強度をそれぞれＩａとＩｃ、ＩｂとＩｄで示している。ここで、波形の傾斜の度合いを評価基準とし、不図示の評価部においてこの評価基準に従って得られたＩｂ／Ｉａ、Ｉｄ／Ｉｃを評価値として導入すると、これらの評価値は露光装置が持つ真のオフセットに相関があることが経験的に知られている。

図７は、同じ実素子ウエハにおける評価値と真のオフセットの関係を示したグラフである。波形の傾斜を表す評価値が大きいほど真のオフセットは大きくなり、波形の傾斜が小さく評価値が小さければ真のオフセットは小さいことが示されている。つまり、評価値と真のオフセットとは相関性があり、比例関係となっている。本発明は、評価値と真のオフセットに相関があることを利用して、実際に実素子ウエハを露光して露光オフセットを求めることなく、不図示の推定部において露光装置の真のオフセットを推定（算出）することを特徴としている。さらに、不図示の制御部の制御により、推定された露光オフセット（重ね合わせ誤差）に基づいて、露光装置が発生させる重ね合わせ誤差がこの推定された重ね合わせ誤差よりも小さくなるように基板を位置決めしながらこの基板を露光することを特徴としている。

図８は、本発明を利用して実際に実素子ウエハを露光していない露光装置で露光オフセットを算出した例を示したものである。図８において、露光装置ＣとＤは、同じ実素子ウエハを露光する露光装置であり、露光装置Ｃは実際にその実素子ウエハを露光して露光オフセットを算出している。露光装置Ｃでは実際にその実素子ウエハを露光して露光オフセットを算出している為、露光装置Ｃにおける真のオフセットを補正することが可能であり、高精度なオーバーレイを実現することができる。一方、露光装置Ｄでは露光装置Ｃで算出した露光オフセットをそのまま使うのではなく、その実素子ウエハを露光装置Ｃ及びＤのそれぞれでアライメントした際のアライメント波形の評価値の比を考慮して露光オフセットを求める。

図８のように、露光装置Ｃが実素子ウエハを計測して求めたアライメント波形の評価値が１で、露光装置Ｄがその実素子ウエハを計測して求めたアライメント波形の前記評価値が０．７であったとする。露光装置Ｃで算出された露光オフセットが１０であったとすると、露光装置Ｄの露光オフセットは、露光装置Ｃで算出された露光オフセットと露光装置Ｃ及びＤの評価値の比とから、１０×（０．７／１）＝７と算出される。評価値と真のオフセットには図７のような直線相関があるので、上記計算で算出された露光装置Ｄの露光オフセットを用いると、露光装置Ｄの真のオフセットを補正することができる。結果として、露光装置Ｄにおいてその実素子ウエハを露光することなく高精度なオーバーレイを実現することができる。

また、上記の実施形態においては、評価値として図６で示されるような波形の傾斜の度合いであるＩｂ／Ｉａ及びＩｄ／Ｉｃを用いた。ただし、本発明では、評価値として波形の傾斜の度合い以外のものを使用することができる。図９（ａ）及び（ｂ）の波形は、それぞれ、同じ実素子ウエハ上のウエハアライメントマークを露光装置Ｃ及びＤが検出した際の波形である。Ｉｋ、Ｉｌ、Ｉｍ及びＩｎは、それぞれ、図９（ａ）及び（ｂ）の波形のピーク値を示している。図９（ａ）及び（ｂ）の波形におけるＩｌ／Ｉｋ及びＩｎ／Ｉｍを評価値とした場合もまた、真のオフセットと図７に示すような相関があることがわかっている。そこで、波形の傾斜の度合いであるＩｂ／Ｉａ及びＩｄ／Ｉｃの代わりに、波形のピーク値の比であるＩｌ／Ｉｋ及びＩｎ／Ｉｍを評価値として使用することができる。このように、真のオフセットと図７に示すような相関がある評価値であれば、どのようなものであっても良い。また、１つの評価値のみを使用するのではなく、真のオフセットとより良い相関をもたせるために、複数の評価値の乗算で計算される評価値を使用しても良い。

さらに、真のオフセットと相関がある評価値として、実素子ウエハにおけるウエハ面内の評価値の分布を使用することができる。具体的には、まず露光装置で実素子ウエハ上の複数の場所のウエハアライメントマークを測定し（以下、グローバルアライメント）、ウエハ面内での評価値の分布を求める。求められた評価値のウエハ面内の分布を統計的に処理し、真のオフセットと相関を持つウエハ面内評価値（基板面内評価値）を求める。ウエハ面内評価値は実素子ウエハの状態によってウエハの回転成分や倍率成分やシフト成分として算出される。

上記のグローバルアライメントから求められる、真のオフセットと相関を持つウエハ面内評価値について以下に説明する。図１１は、ある実素子ウエハをグローバルアライメントする際の４つのショット（ｓｈｏｔ１、ｓｈｏｔ２、ｓｈｏｔ３、ｓｈｏｔ４）と各ショットで検出されたＸ波形を示しており、各ショットでの評価値からウエハ面内評価値を算出する。ここでは、各ショットでの波形の評価値として波形のピーク値の比を用いて説明する。ｓｈｏｔ１とｓｈｏｔ３では波形は対称なため評価値は０となり、ｓｈｏｔ２の評価値は−５、ｓｈｏｔ４の評価値は＋５となる。図１１のショットの座標はウエハの中心を原点とするウエハ面内座標系を用いて表され、ｓｈｏｔ１は（０、ｂ）、ｓｈｏｔ２は（−ａ、０）、ｓｈｏｔ３は（０、−ｂ）、ｓｈｏｔ４は（ａ、０）となる。この場合はＸ座標が０であるｓｈｏｔ１及びｓｈｏｔ３で評価値が０の対称な波形となり、Ｘ座標がプラスのｓｈｏｔ４で評価値が＋５、Ｘ座標がマイナスのｓｈｏｔ２で評価値が−５であることから、各評価値がＸ座標に依存した値となっていることが分かる。このケースではＸ方向に着目してｓｈｏｔ４の評価値からｓｈｏｔ２の評価値を引いてＸ座標の差分で割った値、（５−（−５））／（ａ−（−ａ））＝５／ａがウエハ面内評価値のＸ方向の倍率成分として求められる。このウエハ面内評価値の倍率成分は真のオフセットと相関を持つことが知られており、露光オフセットを算出する際に用いられる。

上述の図１１を用いた説明ではウエハ面内評価値の倍率成分について説明したが、次に図１２を用いてウエハ面内評価値のシフト成分について説明する。図１２は、ある実素子ウエハの４つのショットをグローバルアライメントした際に検出されたＸ波形とそのＸ波形から算出される評価値を示している。ここでは、各ショットの波形の評価値として波形のピーク値の比を用いて説明する。図１２では４つのショット全てにおいて同じ評価値を持つ波形となっている。このケースでは実素子ウエハはＸ座標・Ｙ座標に関わらずＸ方向の評価値５を持つことになり、ウエハ面内評価値のＸ方向のシフト成分として表される。このウエハ面内評価値のシフト成分は真のオフセットと相関を持つことが知られており、露光オフセットを算出する際に用いられる。

上述の図１１及び図１２の説明では、簡単のためにグローバルアライメントの際のウエハアライメントマークの測定点数を４点として説明したが、もちろん測定点数は４点以上であっても良い。ウエハアライメントマークの測定点数を増やすことで、より真のオフセットと相関度の高いウエハ面内評価値を算出することが可能となる。

また、上述までの説明では、あるロットの実素子ウエハ１枚の評価値から、図７の関係式を用いて露光オフセットを算出する方法について説明したが、本発明は評価値を求める実素子ウエハを１枚に限定するものではない。例えば、ロット間でのバラツキが想定される実素子ウエハに対しては、複数枚の実素子ウエハの評価値を求め、各ウエハの評価値の平均値から露光オフセットを算出しても良い。

露光オフセットはＯＡ検出系の性能に起因する成分が支配的であるが、投影光学系の収差によって発生する成分もわずかながらある。そこで、予め投影光学系の収差をある収差計測手段で計測しこの収差を補正した後に本発明を利用することで、より高精度に露光オフセットを算出することが可能となる。こうして、半導体デバイスの性能及び半導体デバイス製造の歩留まりを向上させることができる。具体的には、例えば、ある露光装置で実素子ウエハを露光して露光オフセットを求める前（必然的に、別の露光装置における露光オフセットの算出前となる）に、予めそれぞれの露光装置の投影光学系の収差を計測し補正しておく。投影光学系の収差は、露光装置内に構成された収差検出系（不図示）を用いて計測しても良いし、実際にパターンを露光して現像しパターンシフトや形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで収差量を計測して求めても良い。

本発明を利用すれば、ある実素子ウエハに対する露光オフセットをある露光装置で一度求めると、それ以降はその実素子ウエハをアライメントする全ての露光装置に対して、その実素子ウエハを露光することなく露光オフセットを算出することができる。このため、その実素子ウエハを露光する全ての露光装置で高いアライメント精度、高いスループットを実現することができる。

本発明は、評価値がある閾値を超えると警告を出し、その後の露光処理をエラー停止する手段を有する露光装置とすることができる。さらに、その評価値がある値を超えた露光装置において、個別に実素子ウエハを露光し露光オフセットを算出する構成としても良い。

また、本発明は、例えば工場内に複数の露光装置があり、これらの複数の露光装置のうちのある露光装置で求めた実素子ウエハの露光オフセットを利用してその他の露光装置の露光オフセットを算出する場合にも適用できる。図１０は、このような工場内に複数の露光装置がある場合を表した図である。図１０は工場内に２つの露光装置がある場合を表しているが、露光装置が３つ以上有っても構わない。

また、上記ではアライメント検出系がＯＡ検出系である場合について説明したが、アライメント検出系がＴＴＬ−ＡＡ方式のアライメント検出系である場合にも適用することができる。

なお、上記の露光装置を利用して、半導体集積回路素子、液晶表示素子などのデバイスを製造することができる。このようなデバイスは、上記の露光装置を用いて感光剤を塗布した基板（ウエハ）を露光する工程と、その感光剤を現像する現像工程と、その他の周知の工程とを経ることにより製造される。

本発明の露光装置の構成を概略的に示す図である。 図１の露光装置におけるウエハ及びウエハアライメントマークなどを示す図である。 本発明の露光装置のＯＡ検出系を詳細に示す図である。 従来の露光オフセットの補正を説明するための図である。 従来の露光オフセットの補正を説明するための図である。 異なる露光装置でのアライメント波形を示す図である。 評価値と真のオフセットとの関係を示す図である。 本発明の露光オフセットの補正を説明するための図である。 異なる露光装置でのアライメント波形を示す図である。 工場内に複数の露光装置がある場合を表した図である。 ウエハ面内評価値を算出する方法を説明するための図である。 ウエハ面内評価値を算出する方法を説明するための図である。

符号の説明

３ ウエハ
１６ ＯＡ検出系
１８ ＯＡ検出系用基準マーク
１９ ウエハアライメントマーク
２３ ＯＡ検出系用照明光学系
３１ 光電変換素子

Claims (9)

1. マークの位置情報を含む電気信号を処理して該マークの位置を検出する位置検出器からの出力に基づいて基板を位置決めしながら該基板を露光する露光装置を用いて基板を露光する露光方法であって、
   前記電気信号を評価基準に従って評価して第１評価値を得る評価工程と、
   前記第１評価値と、他の露光装置の位置検出器における電気信号を前記評価基準に従って評価して得られた第２評価値と、前記他の露光装置が発生させる第２重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる第１重ね合わせ誤差を推定する推定工程と、
   前記露光装置において、前記露光装置の前記位置検出器からの出力と前記推定工程で推定した第１重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる重ね合わせ誤差が前記第１重ね合わせ誤差よりも小さくなるように基板を位置決めしながら該基板を露光する露光工程と、
   を含むことを特徴とする露光方法。
2. 前記第１および第２評価値は、それぞれ前記露光装置および前記他の露光装置により検出された基板上のアライメントマークの位置情報を含む電気信号の波形に基づいて測定される値であり、重ね合わせ誤差に比例する値であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
3. 前記第１および第２評価値は、前記アライメントマークの予め定められた２つの部分における前記波形の信号強度の比であることを特徴とする請求項２に記載の露光方法。
4. 前記第１及び第２評価値の少なくともいずれかが閾値を超える場合には、警告を発する警告工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光方法。
5. 前記警告工程の後、前記露光工程の実施をエラー停止する停止工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の露光方法。
6. 前記第１及び第２評価値の各々は、１つの基板における複数の場所にそれぞれ配置された複数のアライメントマークについての評価値に基づいて得られた基板面内評価値であることを特徴とする請求項２または３に記載の露光方法。
7. 前記第１及び第２評価値の各々は、複数枚の基板について得られた評価値における平均値であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光方法。
8. マークの位置情報を含む電気信号を処理して該マークの位置を検出する位置検出器からの出力に基づいて基板を位置決めしながら該基板を露光する露光装置であって、
   前記電気信号を評価基準に従って評価して第１評価値を得る評価部と、
   前記第１評価値と、他の露光装置の位置検出器における電気信号を前記評価基準に従って評価して得られた第２評価値と、前記他の露光装置が発生させる第２重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる第１重ね合わせ誤差を推定する推定部と、
   前記露光装置の前記位置検出器からの出力と前記推定部が推定した第１重ね合わせ誤差とに基づいて、前記露光装置が発生させる重ね合わせ誤差が前記第１重ね合わせ誤差よりも小さくなるように基板を位置決めしながら該基板の露光を制御する制御部と、
   を含むことを特徴とする露光装置。
9. デバイス製造方法であって、
   請求項８に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   該基板を現像する工程と、
   を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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