JP2010245330A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度にアライメントしつつ、スループットを上げる事が求められている。ウエハ上のアライメントマークが二方向の場合には、アライメントマークを静止させてからマーク像を入力しなければならなかった。
【解決手段】 ウエハ上のアライメントマークをフォトセンサで計測する際、TDIセンサを使用する。TDIセンサは、水平方向に加え、垂直方向にも受光素子を複数列配置した２次元構造のセンサである。TDIセンサの特徴としては、移動する対象像と電荷移動速度を等しくすると、２次元画像化可能という特徴がある。TDIセンサを使用することにより、ステージを垂直方向に止めることなく、２次元の画像を入力する事が出来るため、Ｘ方向とＹ方向の２方向のアライメントマークを計測することが可能となる。マーク計測の際も、ステージ速度を落とす事を防ぐ事が出き、時間短縮となり、スループット向上につながる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位置合わせマークからマーク位置を検出するための、位置計測方法に関する。例えば、半導体デバイス製造用の半導体製造装置において、第１物体のレチクル面上に形成されているＩＣ，ＬＳＩ，超大規模集積回路等の微細な電子回路パターンと、第２物体のウエハの相対的な位置合わせ（以下、アライメント）を行う際の、位置計測方法に関するものである。本発明は高精度にアライメントをする状況において、スループットを落とさずに行うことが可能な位置計測方法に関する。

半導体デバイス製造用の半導体製造装置においては、回路の微細化及び高密度化に伴い、レチクル面上の回路パターンをウエハ面上により高い解像力で投影露光できることが要求されている。回路パターンの投影解像力は投影光学系の開口数（ＮＡ）と露光波長に依存するので、高解像度化の方法としては、投影光学系のＮＡを大きくする方法や露光波長をより短波長化する方法が採用されている。後者の方法に関し、露光光源は、ｇ線からｉ線に移行し、更にｉ線からエキシマレーザに移行しつつある。また、エキシマレーザにおいても、その発振波長が２４８ｎｍ及び１９３ｎｍの露光装置が既に実用化され使用されている。回路パターンの微細化に伴い、回路パターンが形成されているレチクルとそれが投影されるウエハとを高精度にアライメントすることも要求されており、その必要精度は回路線幅の１／３であり、例えば、現状の９０ｎｍデザインにおける必要精度はその１／３の３０ｎｍである。また、微細加工の要求に加え、生産性向上の要求から、スループット（単位時間内で処理できるウエハ枚数）を上げる必要がある。

以上のように、半導体製造装置においては、高精度にアライメントしつつ、スループットを上げる事が求められている。その対策として、ステージを止めることなくフォトセンサでウエハ上のマークを検出する方法が提案されている。アライメントマークが一方向の場合に、マーク垂直方向にアライメントマークをスキャンしながらマーク像を入力する手段については、特許文献１で提案済みである。上記発明によれば、アライメントマークを計測するときの処理時間が短縮できるため、高精度にアライメントしつつスループットの向上が可能となる。

特開平１１-３２９９４３号公報

最近の半導体製造装置においては、更に一定時間にできるだけ多くのウエハを処理する能力が要求されている。前述の従来例では、アライメントマークが一方向の場合には有効な提案であったが、二方向の場合には、アライメントマークを静止させてからマーク像を入力しなければならなかった。

上記従来技術の課題を解決するため、本発明は、マスク原板上のパターンをＸ方向，Ｙ方向移動可能なステージ上に乗っているウエハに投影露光する半導体製造装置において、ウエハ上のアライメントマークをフォトセンサで計測する際、フォトセンサとしては、TDI（Time Delay Integration）センサを使用する。TDIセンサは、水平方向に加え、垂直方向にも受光素子を複数列配置した２次元構造のセンサである。センサには、水平方向と垂直方向の２方向の軸がある。TDIセンサの特徴としては、移動する対象像と電荷移動速度を等しくすると、２次元画像化可能という特徴がある。

TDIセンサを使用することにより、ステージを垂直方向に止めることなく、２次元の画像を入力する事が出来るため、Ｘ方向とＹ方向の２方向のアライメントマークを計測することが可能である。

マーク計測の際も、ステージ速度を落とす事を防ぐ事が出き、時間短縮となり、スループット向上につながる。

本発明によれば、２方向のマーク計測の際もステージ速度を落とす事を防ぐため、処理時間の短縮につながり、高精度にアライメントしつつスループットの向上が可能となる。

本発明の第１の実施例に係わるTDIセンサの説明図である。 本発明の第１の実施例に係わるTDIセンサを含んだ縮小投影光学装置の概略図である。 本発明の第１の実施例に係わるTDIセンサへの２次元画像入力方法の説明図である。 本発明の第１の実施例に係わる半導体露光装置の概略を示す図である。 本発明の第１の実施例に係わるグローバルアライメントの説明図である。 本発明の第１の実施例に係わるグローバルアライメントの駆動パターンの説明図である。 本発明の第１の実施例に係わる２次元画像の説明図である。 本発明の第１の実施例に係わる２次元画像の説明図である。 本発明の第２の実施例に係わるTDIセンサへの２次元画像入力方法の説明図である。 本発明の第２の実施例に係わるTDIセンサへの２次元画像入力方法の説明図である。 本発明の第２の実施例に係わる２次元画像の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図１にTDIセンサの構造を示す。水平方向１０画素、垂直方向５画素の例である。CCDエリアセンサは、電荷読み出しの時、１ライン単位で垂直転送を行う。TDIセンサの場合、この垂直転送タイミングと受光面に入射している対象像が移動するタイミングを合わせれば、同じ像をセンサの垂直ライン数だけ露光する事ができる。したがって、高感度に撮像することが出来る。

図１で灰色に塗り潰しているのは、１ライン目で露光した電荷が垂直方向に移動しているのを示している。１ライン目で露光された電荷（（１））を、対象物の物理的移動に同期して、垂直方向にシフト（（２））し、２ライン目でまた露光を行う（（３））。これをライン数だけ繰り返すと最終ラインから多重露光させた出力が得られ（（４））、この動作を全ライン同時に行えば、多重露光された２次元の画像が出力される。この時、垂直転送のタイミングと受光面に入射している対象像が移動するスピードを合わせれば、移動する物体の２次元画像を撮像できる。

TDIセンサを使った２次元アライメントマークの入力について説明する。本特許では、フォトセンサとして、TDIセンサで説明しているが、蓄積の開始、終了を制御できる複数の画素を有し、多列のセンサを有する他のフォトセンサでも良い。

図２は、TDIセンサを含んだ縮小投影光学装置に対して、２次元アライメントマークが移動している図を示している。図３は、図２の状態の時に、TDIセンサに対して、対象像である２次元アライメントマークを入力している図を示している。Vmは２次元アライメントマークの移動速度、Magは縮小投影の倍率、Dq はTDIセンサの１画素のサイズ、TqはTDIセンサの電荷が１画素を移動する時間を示している。TDIセンサの電荷の移動速度Vqは、Vq=Dq/Tqで表す事ができる。

図３の２次元アライメントマークの入力は、速度Vmで矢印の方向に移動している。TDIセンサに対する２次元アライメントマークの速度は、縮小投影の倍率を加味すると、Vm×Magとなる。移動にあわせて、１ライン目の電荷を２ライン目に転送すると、２ライン目において再び電荷の蓄積が行われる。あるラインに対応した入力は電荷転送とともに移動するため、常に同じ位置で蓄積を行う。このように連続した動作を最終ラインまで行うと、電荷は水平レジスタから出力され、２次元の画像が入力できる。以上のように、Vm×Mag=Vqの場合、図３のようにセンサ観察領域内に入る大きさのマークをTDIセンサで撮像すると、２次元アライメントマークを移動させながら、画像として入力することができる。

以上のようにTDIセンサは、対象像の受光面での移動速度とフォトセンサの垂直方向の電荷移動速度を等しくすると、２次元画像化可能という特徴がある。TDIセンサを使用することにより、ステージを垂直方向に止めることなく、Ｘ方向とＹ方向の２方向のアライメントマークを計測することが可能である。

半導体露光装置においてTDIセンサを使ったアライメントの手順を説明する。ウエハ上のＸ方向，Ｙ方向アライメントマークを計りながらステージを移動させ、垂直方向の移動距離が長い場合、水平方向の移動が完了後、垂直方向のステージ位置が水平方向のアライメントマークの像を蓄積可能な許容範囲に入ってから、センサの蓄積を開始する。

図４を用いて、半導体露光装置においてのアライメントの手順を述べる。アライメントマークは、Ｘ方向，Ｙ方向ステージ（７）に登載されているウエハ（５）上にある。光源（１１）から出た光は、ファイバや専用光学系でハーフミラー（１０）に導かれ、ミラー（１３）、縮小投影レンズ（４）を通り、位置アライメントマーク（図６Ｍｘ，Ｍｙ）を照明する。アライメントマークの像は、ウエハ（５）で反射し、再び同じ経路を通り、ハーフミラー（１０）を通過し、フォトセンサ（１２）にあたる。

センサで受光したアライメントマークの像は、光電変換される。このとき光を蓄積する時間は、センサ駆動装置ＣＬＫによっては予め決定された時間となるように制御される。また、制御する時間はステッパ制御装置ＨＰよりアライメント処理装置ＡＰに伝えられ、ＣＬＫに設定される。光を蓄積するタイミングはステージ処理装置ＳＰより指示される。フォトセンサで光電変換された信号は、１０１にてＡ／Ｄ変換され、複数のデジタル信号情報として処理装置内のメモリ（ＭＥＭ）に記憶される。記憶されたデジタル信号よりＡＰでマーク中心が計算される。

アライメントマークはウエハ（５）上に複数点配置されている。その様子を図５に示す。図５のＳ１〜Ｓ４はウエハ上で４点のアライメントマークを計測するグローバルアライメントの場合のマーク計測ショットを表している。

Ｘ方向，Ｙ方向ステージはＳ１から順番にマーク位置を計測していく。例えば、Ｓ１からＳ２へ移動するには加速、減速を行い、最短時間でマーク位置（目標位置）に移動しなければならない。ステージの移動は、ＨＰがステージ制御装置２００のＳＰへ目標位置（座標）を指示し、モータ（ＭＯＴ）を駆動して干渉計（ＰＭ）を参照しながらサーボをかけ、正確に目標位置に移動する。

ステージが目標位置に到達し、マーク像を撮像することが可能となった時点で、センサ駆動装置ＣＬＫへ蓄積可能信号を送りマークの蓄積が開始される。

ステージがＳ１からＳ２マーク位置（目標位置）へ移動しＳ２付近に到達したパターンを図６を用いて説明する。ステージの垂直方向の移動速度パターンを図６（ａ）に示す。縦軸が速度（Vum）横軸が時間（ｔ）である。そのとき、目標位置までの残差を図６（ｂ）に示す。縦軸が残差（ｄｐum）である。この場合、垂直方向はＸ方向である。一方ステージの水平方向の移動速度パターンを図６（ｃ）に示す。縦軸が速度（Vm ）横軸が時間（ｔ）である。そのとき、目標位置までの残差を図６（ｄ）に示す。縦軸が残差（ｄｐm ）である。水平方向は、Ｙである。

水平方向に関しては、ステージが静止していないと正確な位置が検出できない。ウエハ上のアライメントマークを高精度で計測可能となるトレランス（許容範囲）をｔｏｌｕｍとしてＳＰに設定されている。トレランスとは、ステージの位置と目標位置との差の許容範囲のことである。ステージの目標位置との差が±ｔｏｌｕｍに入ったら水平方向は静止したとする。ｔｏｌｕｍの量は通常センサの画素分解能よりも十分に小さい。

垂直方向は、ステージが静止している必要はない。観察可能範囲に入っていれば、センサはマークの像を撮像できる。上記範囲を垂直方向のトレランスとしてｔｏｌｕｍ’があらかじめＳＰに設定されている。ｔｏｌｕｍ’の大きさは、センサの観察視野にマークが入ってきた時に設定される。通常スクライブラインにマークを入れることがあるので、１００um程度である。

フォトセンサの蓄積は、水平方向のステージ位置がｔｏｌｕｍ内に入り垂直方向のステージ位置がｔｏｌｕｍ’に入れば可能となる。図６の（ｅ）に蓄積のタイミングを示す。マーク存在範囲ｔｏｌｕｍ’に達した後、ステージの垂直方向の速度とフォトセンサの垂直方向の電荷移動速度が等しい場合、２次元の画像を入力できる。

ｔｏｌｕｍ’に達するとＳＰはＣＬＫに蓄積可能信号を送る。ＳＰは蓄積可能信号をＣＬＫに送った直後より、ＳＰにて水平方向のステージ位置をサンプリングし、蓄積期間中のステージの微動、ドリフトをモニタし記憶する。さらに、ステージ微少回転角度のドリフトも蓄積する。ＣＬＫは所定の蓄積時間に達したら、ＳＰへ蓄積が終了したことを信号で知らせ、水平方向のステージ位置のモニタおよび記憶を終了させる。

ＳＰではフォトセンサが蓄積していた間のステージ水平方向の平均位置とステージ角度平均を計算する。ＡＰはメモリに記憶されたマーク像を処理し、マークの位置を計算する。ＨＰに蓄積が終了したことを指示する。そうすることで、次のアライメントマーク位置に移動することが可能となる。

以上の処理をすべてのアライメントマークについて繰り返し、グローバルアライメントが実施される。ステージの垂直方向の速度とフォトセンサの垂直方向の電荷移動速度が等しい場合、２方向アライメントマークを垂直方向にスキャンすると、２次元の画像を入力できる。仮にS１→S２→S３→S４の順のように計測した場合においても、マーク計測を行う事が出きる。マーク計測の際も、ステージ速度を落とす事を防ぐ事が出き、時間短縮となる。

第１の実施例では、２次元アライメントマークを入力する際は、水平方向に関しては、ステージのずれが少ないという前提で記載した。その場合のTDIセンサからの出力を元に作成した２次元画像は、図７のようになる。

しかし、第１の実施例の方法で２次元アライメントマークを入力する際に、ジッタのような信号のタイミング揺らぎなどの影響で、水平方向に対してステージが微動していた場合、TDIセンサからの出力を元に作成した２次元画像は、図８のようになる。図８の画像を元に画像処理を行った場合、計測精度が低下する要因となることもある。

第２の実施例では、水平方向に対してステージが微動していた場合でも、図７のような正常な画像を入力できる方法について述べる。装置全体の構成、装置全体の動作に関しては実施例１と同じである。２次元アライメントマークの画像入力方法のみ異なるので、その部分について説明する。

フォトセンサの蓄積は、水平方向のステージ位置がｔｏｌｕｍ内に入り垂直方向のステージ位置がｔｏｌｕｍ’に入れば開始となる。

２次元アライメントマークがTDIセンサの第１ラインに入ると、ＳＰはＣＬＫに蓄積可能信号を送る。この時の時刻を０とし、２次元アライメントマークとTDIセンサの関係を図９に示す。TDIセンサのライン数はnとする。Dq はTDIセンサの１画素のサイズとする。TDIセンサの垂直方向の長さは、n×Dqで表す事ができる。２次元アライメントマークがTDIセンサ上に縮小投影された像は、ライン数でmラインに相当するとする。２次元アライメントマークの垂直方向の長さは、m×Dqで表す事ができる。TDIセンサの電荷が１画素を移動する時間は、Tqとする。

Tq秒後の時刻Tqで、１ライン目で露光された電荷を、２次元アライメントマークの移動に同期して、垂直方向に移動し、２ライン目でまた露光を行う。これをnライン分繰り返すと、時刻nTqに、時刻０から時刻nTqの間でn回多重露光された出力が、水平ラインから出力される。この時の２次元アライメントマークとTDIセンサの関係を図１０に示す。上記n回多重露光された出力は、ＡＰ内のメモリに記憶される。また時刻０から時刻nTq間における水平方向のステージ位置の平均値は、ＳＰに記憶される。

同じようにして、時刻２Tqで、１ライン目で露光された電荷を、２次元アライメントマークの移動に同期して、垂直方向に移動し、２ライン目でまた露光を行う。これをnライン分繰り返すと、時刻(n+１)Tqに、時刻Tqから時刻(n+１)Tqの間でn回多重露光された出力が、水平ラインから出力される。上記n回多重露光された出力は、ＡＰ内のメモリに記憶される。また時刻Tqから時刻(n+１)Tq間における水平方向のステージ位置の平均値は、ＳＰに記憶される。

上記の動作を２次元アライメントマークの像のmライン全てに行い、ＨＰに蓄積が終了したことを指示する。蓄積終了後には、ＡＰには、mライン分のn回多重露光された出力が記憶される。ＳＰには、上記mライン分の水平方向のステージ位置が記憶される。

ＡＰでは、ＳＰに記憶されたmライン分のステージ位置をもとに、ＡＰのメモリに記憶された出力を補正した後、２次元画像を作成する。作成した２次元画像の図を図１１に示す。図１１で最下部のラインは、時刻０〜時刻nTqの間で多重露光されたラインを表している。最上部のラインは、時刻mTq〜時刻(m+n)Tqの間で多重露光されたラインを表している。

第２の実施例では、水平方向に対してステージが微動していた場合でも、図７のような画像を入力でき、精度向上につながる。

Claims (6)

1. ２次元方向に移動可能なステージ上に乗っている平板上物体に刻印されている位置合わせマークの検出において、電荷蓄積と電荷移動と電荷加算を繰り返し実行するフォトセンサと、前記位置合わせマークに対して第１計測方向の移動と第２計測方向の移動を同時に制御するステージと、前記フォトセンサの下に前記位置合わせマークが移動し、第２計測方向のステージがある範囲内で静止していれば、第１計測方向のステージが移動中でも予め決められた範囲内にマークが存在していれば、前記第１計測方向のステージ移動に同期して前記フォトセンサから複数回ラインデータを取得し、前記複数のラインデータを２次元画像として前記位置合わせマークの位置を計算することを特徴とする位置合わせマーク計測装置。
2. フォトセンサとしてTDIセンサを使うことを特徴とする請求項１に記載の位置合わせマーク計測装置。
3. 電荷蓄積と電荷転送と電荷加算の繰り返し周期をT、フォトセンサの画素サイズをD、ステージの移動速度をVs,フォトセンサと平板上物体間の倍率をMとすると、T=D/M/Vs という関係であることを特徴とする請求項１に記載の位置合わせマーク計測装置。
4. 前記繰り返し周期ごとに前記第２計測方向のステージ位置を測定し、記憶することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の位置合わせマーク計測装置。
5. 前記記憶したステージ位置を用いて、得られた２次元画像のライン毎の第２計測方向の位置を補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の位置合わせマーク計測装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の位置合わせマーク計測装置を使用することを特徴とする半導体製造装置。