JP2021067880A - 計測装置、リソグラフィ装置、及び物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測時間の点で有利な計測装置を提供する。【解決手段】マーク２１１を検出するための検出信号を第１の範囲で生成する第１の検出部１９１Ａと、マークを検出するための検出信号を、第１の範囲よりも広い第２の範囲で生成する第２の検出部１９１Ｂと、第１の検出部及び第２の検出部の少なくとも一方で生成された検出信号に基づいてマークの計測処理を行う処理部１３０と、を有する計測装置であって、処理部は、第１の検出部からの検出信号によってマークが計測されたことに応じて、第２の検出部によるマークの計測処理を中止する。【選択図】図２

Description

本発明は、計測装置、リソグラフィ装置、及び物品の製造方法に関する。

フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスを製造する際に、投影光学系によって、レチクルのパターンをウエハなどの基板に投影してパターンを転写する露光装置が使用されている。

露光装置においては、電子機器の小型化や需要の拡大に伴い、メモリやＭＰＵに代表される半導体素子の微細化と生産性を両立させる必要がある。従って、露光装置には、解像度、オーバーレイ精度、スループットなどの基本性能を向上させることが要求されている。露光装置の解像度は、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例し、露光に用いる光（露光光）の波長に比例するため、投影光学系の開口数の拡大及び露光光の短波長化が進んでいる。また、半導体素子の微細化に伴い、オーバーレイ精度の向上も必要となるため、レチクルと基板との相対的な位置を合わせるアライメントについても高精度化が必要となる。

基板のアライメントに関する技術として、基板上に設けられたアライメントマークを用いて、プリアライメント及びファインアライメントの２種類のアライメントを行うことが知られている。プリアライメントは、基板搬送系から基板ステージに送り込まれた基板の位置ずれ量を検出し、ファインアライメントが開始できるように、当該位置ずれを補正して基板を粗く位置合わせ（位置決め）することである。また、ファインアライメントは、基板ステージに保持された基板の位置を高精度に計測し、基板の位置合わせ誤差が許容範囲内になるように、基板を精密に位置合わせ（位置決め）することである。

アライメントの高速化と高精度化を両立させるための技術として、特許文献１は、プリアライメントとファインアライメントに共通して用いる共用マークを、プリアライメント用の光学系とファインアライメント用の光学系で同時に撮像することを開示している。

特開２００６−７１４８３号公報

特許文献１で開示された位置計測装置では、ファインアライメント用の光学系よりも視野の広いプリアライメント用の光学系による撮像が終了した後にファインアライメントを開始する。そのため、ファインアライメントを開始するタイミングが遅延して、アライメントの高速化が十分に実現できないおそれがある。

本発明は、計測時間の点で有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、基板上のマークの位置を計測する計測装置であって、前記マークを検出するための検出信号を第１の範囲で生成する第１の検出部と、前記マークを検出するための検出信号を、前記第１の範囲よりも広い第２の範囲で生成する第２の検出部と、前記第１の検出部及び前記第２の検出部の少なくとも一方で生成された前記検出信号に基づいて前記マークの計測処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記第１の検出部からの検出信号によって前記マークが検出されたことに応じて、前記第２の検出部による前記マークの計測処理を中止することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、計測時間の点で有利な計測装置を提供することができる。

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。 基板アライメント光学系の構成を示す概略図である。 基板上に設けられるアライメントマークを配置及び構成を示す図である。 アライメントの手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略図である。露光装置１は、物品としての半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスの製造に用いられ、パターン形成を基板に行うリソグラフィ装置である。露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式、或いは、ステップ・アンド・リピート方式で基板を露光する。

露光装置１は、主制御部１００と、光源制御部１１０と、アライメント光源１２０と、画像処理部１３０と、ステージ制御部１４０と、干渉計１５０とを有する。また、露光装置１は、レチクルアライメント光学系１６０と、レチクルステージ１７１と、投影光学系１８０と、基板アライメント光学系１９０と、基板ステージ２００とを有する。

レチクルステージ１７１は、照明光学系（不図示）によって照明されるレチクル１７０を保持して移動する。レチクル１７０には、基板２１０に転写すべきパターンが描画されている。投影光学系１８０は、レチクル１７０のパターンを基板２１０に投影する。基板ステージ２００は、基板を保持して可動の保持部であって、本実施形態では、基板２１０を保持して移動する。

レチクルアライメント光学系１６０は、レチクル１７０のアライメントに用いられる。レチクルアライメント光学系１６０は、例えば、蓄積型光電変換素子で構成される撮像素子１６１と、レチクル１７０に設けられたアライメントマークからの光を撮像素子１６１に導く光学系１６２とを含む。基板アライメント光学系１９０は、基板２１０のアライメントに用いられる。基板アライメント光学系１９０は、本実施形態では、オフアクシス光学系であって、基板２１０に設けられたアライメントマーク２１１を検出する。

主制御部１００は、ＣＰＵやメモリなどを含み、露光装置１の全体の動作を制御する。主制御部１００は、露光装置１の各部を制御して、基板２１０を露光する露光処理及びそれに関連する処理を行う。本実施形態では、主制御部１００は、レチクル１７０に形成されたアライメントマークの位置や基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１の位置に基づいて、基板ステージ２００の位置を制御する。換言すれば、主制御部１００は、レチクル１７０と基板２１０との位置合わせ、例えば、グローバルアライメントを行う。

アライメント光源１２０は、ハロゲンランプなどを含み、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を照明する。光源制御部１１０は、アライメント光源１２０からの光、即ち、アライメントマーク２１１を照明するための光の照明強度を制御する。

画像処理部１３０は、レチクルアライメント光学系１６０における撮像素子１６１や基板アライメント光学系１９０における撮像素子からの画像信号（検出信号）を画像処理してアライメントマークの位置計測を行う。本実施形態において、画像処理部１３０及び基板アライメント光学系１９０は、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１の位置を計測する計測装置として機能する。

干渉計１５０は、基板ステージ２００に設けられたミラーに光を照射し、ミラーで反射された光を検出することで、基板ステージ２００の位置を計測する。ステージ制御部１４０は、干渉計１５０によって計測された基板ステージ２００の位置に基づいて、基板ステージ２００を任意の位置に移動させる（駆動制御する）。

露光装置１において、照明光学系からの光（露光光）は、レチクルステージ１７１に保持されたレチクル１７０を通過して投影光学系１８０に入射する。レチクル１７０と基板２１０とは、光学的に共役な位置関係になっているため、レチクル１７０のパターンは、投影光学系１８０を介して、基板ステージ２００に保持された基板２１０に転写される。

図２は、基板アライメント光学系１９０の構成を示す概略図である。基板アライメント光学系１９０は、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を検出して検出信号、本実施形態では、画像信号を生成する検出部として機能する。基板アライメント光学系１９０は、撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂと、結像光学系１９２Ａ及び１９２Ｂと、ハーフミラー１９３と、照明光学系１９４と、偏光ビームスプリッタ１９５と、リレーレンズ１９６と、λ／４板１９７と、対物レンズ１９８とを含む。

アライメント光源１２０からの光は、光ファイバ（不図示）などを介して、基板アライメント光学系１９０に導かれる。基板アライメント光学系１９０に導かれた光は、照明光学系１９４を介して、偏光ビームスプリッタ１９５に入射する。偏光ビームスプリッタ１９５で反射された光は、リレーレンズ１９６、λ／４板１９７及び対物レンズ１９８を通過して、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を照明する。

アライメントマーク２１１で反射された光は、対物レンズ１９８、λ／４板１９７、リレーレンズ１９６及び偏光ビームスプリッタ１９５を通過して、ハーフミラー１９３に入射する。ハーフミラー１９３において適当な比率に分割された光のそれぞれは、結像倍率が互いに異なる結像光学系１９２Ａ又は１９２Ｂに導かれる。

結像光学系１９２Ａ及び１９２Ｂのそれぞれは、アライメントマーク２１１の像を撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂの撮像面に形成する。撮像素子１９１Ａと結像光学系１９２Ａは第１の検出部を構成し、撮像素子１９１Ｂと結像光学系１９２Ｂは第２の検出部を構成する。これまでに説明したように、第１の検出部における検出光の光路の一部と、第２の検出部における検出光の光路の一部は共通である。これにより、基板アライメント光学系１９０全体の大型化を抑制することができる。

撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂは、アライメントマーク２１１を含む領域を撮像する撮像面を含み、かかる撮像面で撮像された領域に対応する画像信号を生成する。撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂで生成された画像信号は、画像処理部１３０によって読み出される。画像処理部１３０は、画像信号に対して、本実施形態では、画像処理としてのパターンマッチング処理を行うことで、撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂの撮像面におけるアライメントマーク２１１の位置を得る。但し、画像処理は、パターンマッチング処理に限定されるものではなく、アライメントマーク２１１の位置を得ることが可能な処理であればよい。従って、画像処理は、例えば、エッジ検出処理であってもよい。

ここで、撮像素子１９１Ａにおける画像信号の生成範囲は、撮像素子１９１Ｂにおける画像信号の生成範囲よりも狭い。また、結像光学系１９２Ａの倍率は、結像光学系１９２Ｂの倍率よりも高い。撮像素子１９１Ａを用いたアライメントマーク２１１の位置検出精度は、撮像素子１９１Ｂを用いたアライメントマーク２１１の位置検出精度よりも高い。

露光装置１においては、プリアライメント及びファインアライメントの２種類のアライメントが行われる。プリアライメントは、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量を検出し、ファインアライメントが開始できるように、基板２１０を粗く位置合わせ（位置決め）することである。また、ファインアライメントは、基板ステージ２００に保持された基板２１０の位置を高精度に計測し、基板２１０の位置合わせ誤差が許容範囲内になるように、基板２１０を精密に位置合わせ（位置決め）することである。

一般的には、プリアライメントでは、画像信号の生成範囲が広い撮像素子１９１Ｂにおける画像信号を用いてアライメントマークの位置計測が行われる。一方、ファインアライメントでは、位置検出精度が高い撮像素子１９１Ａにおける画像信号を用いてアライメントマークの位置計測が行われる。

図３を用いて、アライメント処理に関連するアライメントマークの配置、及びアライメント処理の流れについて説明する。基板２１０には、図３（ａ）に示すように、レチクルのパターン転写領域である複数のショット領域３０１が格子状に配列されている。ショット領域３０１には、通常、同一のパターンが形成されている。図３（ｂ）に示すように、ショット領域３０１のパターン領域（回路パターン領域）ＲＰＲの周辺のスクライブラインには、アライメントマークとして、プリアライメントマークＰＡＭ及びファインアライメントマークＦＡＭが設けられている。

以下、一般的なアライメント処理について説明する。アライメント処理では、図３（ａ）に示すように、基板２１０の複数のショット領域３０１から、アライメントマークを検出する対象のショット領域を選択し、各ショット領域のアライメントマークを検出する。例えば、図３では、プリアライメントでアライメントマークを検出するショット領域として、サンプルショット領域３０２が選択されている。

プリアライメントでは、複数のショット領域３０１から２以上のショット領域がサンプルショット領域３０２として選択される。各サンプルショット領域３０２において、撮像素子１９１Ｂにおける画像信号を用いてプリアライメントマークＰＡＭの位置計測が行われる。

また、ファインアライメントでアライメントマークを検出するショット領域として、サンプルショット領域３０３が選択されている。ファインアライメントでは、複数のショット領域３０１から、基板２１０を露光するのに必要なアライメント精度に応じて、サンプルショット領域３０２の数よりも多い数のサンプルショット領域３０３が選択される。各サンプルショット領域３０３において、撮像素子１９１Ａにおける画像信号を用いてファインアライメントマークＦＡＭの位置計測が行われる。

続いて、本実施形態におけるプリアライメントについて詳細に説明する。本実施形態におけるプリアライメントでは、アライメントマークの位置計測のための時間を短縮するために、撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂの双方を用いて同一のプリアライメントマークＰＡＭの位置計測を行う。

上述したように、結像光学系１９２Ｂに対応する撮像素子１９１Ｂは、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量を考慮して、広範な検出範囲を有している。例えば、アライメントマークのサイズ（に対応する領域）を略正方形として、当該正方形の一辺の長さが５０μｍから８０μｍ程度である場合、撮像素子１９１Ｂの検出範囲は、一辺が２００μｍから４００μｍ程度の略正方形の検出範囲を有する。

一方、結像光学系１９２Ａに対応する撮像素子１９１Ａは、検出範囲を狭くして、ファインアライメントのためにアライメントマークを高精度に検出する。撮像素子１９１Ａは、一辺が５０μｍから１００μｍ程度の略正方形の検出範囲を有する。

ここで、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量の標準偏差の３倍が２５μｍ程度に安定しているものとする。そして、撮像素子１９１Ｂの撮像面の全画素の画像情報（即ち、画像信号の全ての範囲）に対してパターンマッチング処理を行うことで、アライメントマークの位置を計測する場合を想定する。

この場合、撮像素子１９１Ｂの撮像面の画素情報のうちの殆どの画素情報は、アライメントマークが存在しない画素情報となる。従って、パターンマッチング処理は、アライメントマークが存在しない領域を含む広範な検出範囲に対応する画像情報に対して行われることになる。このため、アライメントマークの位置を得るのに無駄な時間を費やすことになり、露光装置１の基板処理能力、即ち、スループットを低下させる要因となる。

そこで、本実施形態では、検出範囲の狭い撮像素子１９１ＡによってプリアライメントマークＰＡＭの位置計測が完了したことに応じて、撮像素子１９１Ｂからの画像信号に基づくプリアライメントマークＰＡＭの位置計測処理を中止する。撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂによって同一のプリアライメントマークＰＡＭの位置計測を行っているため、撮像素子１９１Ａと１９１Ｂのいずれか一方によりプリアライメントマークＰＡＭの位置計測が実現できれば、プリアライメントを実行可能である。図３（ａ）で示したプリアライメント用のサンプルショット領域３０２におけるプリアライメントマークＰＡＭの位置計測が終了すると、プリアライメント処理が実行される。プリアライメント処理が終了すると、サンプルショット領域３０３におけるファインアライメントマークＦＡＭの位置計測が開始される。

続いて、本実施形態に係るプリアライメント処理の手順について図４のフローチャートを用いて説明する。基板搬送系から基板ステージ２００に基板が搬送されると、プリアライメントが開始される。プリアライメントが開始されると、ステップＳ４０１Ａで、撮像素子１９１Ａにおける撮像、画像信号の生成及び転送が開始される。ステップＳ４０１Ａと同時に、ステップＳ４０１Ｂで、撮像素子１９１Ｂにおける撮像、画像信号の生成及び転送が開始される。なお、Ｓ４０１Ａの開始タイミングとＳ４０１Ｂの開始タイミングは同時でなくても良い。

続いて、ステップＳ４０２で、画像処理部１３０は、撮像素子１９１Ａにて生成された画像信号を読み出し、当該画像信号に対して画像処理を行うことで、像面におけるプリアライメントマークの位置計測を図る。撮像素子１９１Ａの撮像範囲は撮像素子１９１Ｂの撮像範囲よりも狭いため、撮像素子１９１Ａからの画像信号に対する画像処理の方が、撮像素子１９１Ｂからの画像信号に対する画像処理よりも早く終了する。

Ｓ４０２において、撮像素子１９１Ａにて生成された画像信号によりプリアライメントマークの位置計測が完了した場合には、ステップＳ４０３に進み、撮像素子１９１Ｂからの画像信号に基づく位置計測を中止する。そして、ステップＳ４０５においてプリアライメント処理を実施する。一方、Ｓ４０２において、撮像素子１９１Ａにて生成された画像信号によりプリアライメントマークの位置計測が実行できなかった場合には、ステップＳ４０４に進む。Ｓ４０４において、撮像素子１９１Ｂにて生成された画像信号によるプリアライメントマークの位置計測を実行する。

Ｓ４０４において、撮像素子１９１Ｂにて生成された画像信号によりプリアライメントマークの位置計測が完了した場合には、ステップＳ４０５に進み、プリアライメント処理を実施する。一方、Ｓ４０４において、撮像素子１９１Ｂにて生成された画像信号によりプリアライメントマークの位置計測が実行できなかった場合には、アライメント条件を変更した上で、再度プリアライメントマークの位置計測を行う。

（変形例）
図４のＳ４０２で、撮像素子１９１Ａにて生成された画像信号によりプリアライメントマークの位置計測が実行できなかった場合には、撮像素子１９１Ｂの画像信号に対してフィルタ処理を施して、画像信号の精度向上を図ることができる。フィルタ処理は種々のフィルタを適用することが可能であり、例えば、移動平均フィルタ、ガウシアンフィルタ、メディアンフィルタ、ソーベルフィルタ等を適用することができる。

そして、図４のＳ４０４において、フィルタ処理後の画像信号を用いてプリアライメントマークの位置計測を図ることで、プリアライメントマークの位置を検出する確率を向上することができる。

このように、本実施形態の露光装置１では、アライメントマーク２１１の位置の計測に要する時間を短縮することができる。従って、露光装置１は、スループットの低下を十分に抑えることができ、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイスなど）を提供することができる。

本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、露光装置１を用いて、感光剤が塗布された基板を露光する工程（パターン形成を基板に行う工程）と、露光した基板を現像する工程（パターン形成を行われた基板を加工する工程）とを含む。また、上記形成工程につづけて、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

（物品製造方法）
次に、前述の露光装置を利用した物品（半導体ＩＣ素子、液晶表示素子、カラーフィルタ、ＭＥＭＳ等）の製造方法を説明する。物品は、前述の露光装置を使用して、感光剤が塗布された基板（ウエハ、ガラス基板等）を露光する工程と、その基板（感光剤）を現像する工程と、現像された基板を他の周知の加工工程で処理することにより製造される。他の周知の工程には、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等が含まれる。本製造方法によれば、従来よりも高品位の物品を製造することができる。

１９１Ａ、１９２Ａ 第１の検出部
１９１Ｂ、１９２Ｂ 第２の検出部
１３０ 処理部
２１０ 基板
２１１ マーク

Claims (13)

1. 基板上のマークの位置を計測する計測装置であって、
   前記マークを検出するための検出信号を第１の範囲で生成する第１の検出部と、
   前記マークを検出するための検出信号を、前記第１の範囲よりも広い第２の範囲で生成する第２の検出部と、
   前記第１の検出部及び前記第２の検出部の少なくとも一方で生成された前記検出信号に基づいて前記マークの計測処理を行う処理部と、
   を有し、
   前記処理部は、前記第１の検出部からの検出信号によって前記マークが検出されたことに応じて、前記第２の検出部による前記マークの計測処理を中止することを特徴とする計測装置。
2. 前記第１の検出部及び前記第２の検出部はそれぞれ、前記マークを撮像する撮像素子を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記処理部は、前記マークの計測処理のためにパターンマッチング処理又はエッジ検出処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記処理部は、前記第１の検出部からの検出信号によって前記マークが計測されない場合には、前記第２の検出部からの検出信号によって前記マークを計測することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記処理部は、前記第２の検出部からの検出信号に対してフィルタ処理を実施し、当該フィルタ処理が実施された前記検出信号から前記マークを計測することを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
6. 前記フィルタ処理は、移動平均フィルタ、ガウシアンフィルタ、メディアンフィルタ、ソーベルフィルタの少なくとも１つのフィルタを用いた処理であることを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
7. 前記第１の検出部は、第１の倍率の結像光学系を含み、
   前記第２の検出部は、前記第１の倍率よりも低い第２の倍率の結像光学系を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記第１の検出部における検出光の光路の一部と、前記第２の検出部における検出光の光路の一部は共通であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 基板上にパターン形成を行うリソグラフィ装置であって、
   前記基板を保持する保持部と、
   前記基板上のマークを計測する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の計測装置と、
   前記計測装置で計測された前記マークの位置に基づいて、前記保持部の位置を制御する制御部と、
   を有することを特徴とするリソグラフィ装置。
10. 前記制御部は、前記マークの位置に基づいて、前記保持部に対する前記基板の位置ずれを補正するプリアライメントを行うことを特徴とする請求項９に記載のリソグラフィ装置。
11. 前記制御部は、前記プリアライメントの後に、前記保持部に対する前記基板の位置ずれを、前記プリアライメントよりも高精度に補正するファインアライメントを行うことを特徴とする請求項１０に記載のリソグラフィ装置。
12. 前記第１の検出部による前記マークの検出精度は、前記第２の検出部による前記マークの検出精度よりも高く、
    前記制御部は、前記第１の検出部によって計測されたマークの位置に基づいて、前記ファインアライメントを行うことを特徴とする請求項１１に記載のリソグラフィ装置。
13. 請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のリソグラフィ装置を用いてパターン形成を基板に行う工程と、
    前記工程で前記パターン形成を行われた前記基板を加工する工程と、
    を含むことを特徴とする物品の製造方法。

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