JP3050498B2 - 位置ずれ量測定光学系の調整方法および位置ずれ量測定装置 - Google Patents

位置ずれ量測定光学系の調整方法および位置ずれ量測定装置

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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ウエハ上に形成され
た各種のパターンの相互間の位置ずれ量、いわゆるレジ
ストレーションを測定する位置ずれ量測定装置の測定光
学系の調整方法および位置ずれ量測定装置に関し、詳し
くは、ある半導体製造工程において、マスク等を介して
露光により形成されたレジストパターンとその1つ前の
工程ですでに形成されたいるエッチングされたパターン
との位置ずれ量を高精度に測定することができるような
位置ずれ量測定装置の測定光学系の調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体ICの製造においては、表面が平
滑なサブストレートのウエハに対して、各種のパターン
が形成される。これらのパターンは相互間の位置が正確
に形成されることが必要であるので、既形成パターンと
次に形成するパターンとの間で、その相互間の位置ずれ
量、いわゆるレジストレーションが精密に測定されてい
る。16Mから64M、256MとDRAMの記憶容量
の飛躍的な増加に対応して、この位置ずれ量の測定検査
はますます重要となってきている。
【0003】高密度の記憶容量を持つDRAMを製造す
るには、露光装置の検出光学系の調整、そして、検出光
学系の中心とウエハ上の各チップの中心とが高精度に位
置決めされることが重要である。従来のこの位置決め
は、ウエハの面の中心と露光装置の光学系の対物レンズ
の中心、リレーレンズ、そして位置合わせマークを検出
するCCDなどの検出器の中心をレーザ光によりこれら
が一致するように位置合わせしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、DRAMの記
憶容量が16M以上の密度になると、パターンとしての
線幅が0.7μm以下になるので、レジストレーション
での許容誤差が15nm以下となり、従来の光学系の調
整だけでは、光学系の歪み誤差が影響して求められる精
度が達成できない問題がある。この発明の目的は、この
ような従来技術の問題点を解決するものであって、高精
度に位置ずれ量を測定することができる位置ずれ量測定
光学系の調整方法および位置ずれ量測定装置を提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明の位置ずれ量測
定光学系の調整方法の特徴は、視野の中心にその中心が
位置付けられ位置ずれ量測定パターンからの光を受光し
て位置ずれ量を表す検出信号を発生する検出器を有し、
検出信号により位置ずれ量を測定する位置ずれ量測定装
置における測定光学系の調整方法において、検出器の検
出中心を移動させる移動機構を備えていて、位置ずれ量
測定パターンのずれ量を測定して得たずれ量を第1のず
れ量とし、この位置ずれ量測定パターンを180°回転
させてそのずれ量を測定して得たずれ量を第2のずれ量
とし、第1のずれ量と第2のずれ量との差、例えば、こ
の差の1/2を第3のずれ量として得て、この第3のず
れ量に応じて移動機構により検出器の中心を第3のずれ
量に対応する視野分だけ移動させるものである。また、
この発明の位置ずれ量測定装置は、前記の移動機構を第
3のずれ量に応じて制御して検出器の中心を第3のずれ
量に対応する視野分だけ自動的に移動させるものであ
る。
【0006】
【作用】このように、同じ位置ずれ量測定パターンを1
80°回転させてずれ量を測定し、回転前のずれ量との
差、特に差の1/2を採ることにより、光学系の歪みに
影響されないで本来のずれ量に近い値を第3のずれ量と
して得ることができる。その原理については後述する。
そこで、検出器の検出中心を第3のずれ量に対応する視
野分だけ移動させることにより、検出器の検出中心を光
学系の本来の中心に一致させることができる。その結
果、光学系の歪みによる測定誤差がほとんどなくなり、
高精度なずれ量が測定できる。
【0007】
【実施例】図1は、この発明の位置ずれ量測定光学系の
調整方法を適用した一実施例のレジストレーション測定
装置の説明図であり、図2は、光学系中心と検出器の中
心の位置調整処理のフローチャート、図3は、レジスト
レーションパターンの歪み量とずれ量との関係について
の説明図、図4は、視野中心から測定点をずらせてずれ
量を測定する説明図、図5は、図4における測定結果の
一例の説明図、図6は、レジストレーションパターンに
ついての説明図、図7は、ウエハ上のチップおよびレジ
ストレーションパターンの配置と検出器の検出信号につ
いての説明図である。
【0008】図6の(a) は、それぞれエッチングパター
ンの内側にレジストパターン30があるレジストレーシ
ョンパターン(マークパターン)30の例、(b) は、エ
ッチングパターンの上側にレジストパターンあるレジス
トレーションパターン30の例、(c) は、レジストパタ
ーンの内側にエッチングパターンがあるレジストレーシ
ョンパターン30の例である。それぞれ上側がその平面
図、下側がその断面図を示す。これらは、すでに前の工
程において形成されたパターンの一部であるエッチング
パターン31とこれから形成するパターンに対するレジ
ストパターン32からなり、相互に正方形の形状をして
いて、いずれか一方が内側に配置される。このような
(a) ,(b) ,(c) の各レジストレーションパターン30
の1つが、図7(a) に示すように、ウエハ上のあるチッ
プ24(任意のチップ)の中心に対して対称に4箇所に
レジストレーションパターン(マークパターン)30
a,30b,30c,30dとしてそれぞれ設けられて
いる。これら4つのレジストレーションパターンは、そ
れぞれのチップに対応してその周囲にそれぞれ設けられ
ている。図7(b) は、フォーカス状態でCCD検出器で
検出されるレジストレーションパターン30a 、例え
ば、図6の(b) のもののX軸方向の検出信号(以下X軸
検出信号)である。Y軸方向の検出信号も同様な波形に
なるが、図では省略してある。
【0009】X軸検出信号のピーク位置a,dを検出
し、これらの中心XE とピーク位置b,cを検出し、こ
れらの中心XR との差ΔXがX方向のずれ量である。こ
のずれ量が許容範囲内であれば、レジストパターン32
の位置が適合していて、このレジストパターン32を一
部とするレジストをマスクにして次のパターンが形成さ
れる。以上は、Y軸方向に対しても行われ、いすれか一
方の軸方向において、もし、ΔX,ΔYのいずれかが許
容値の範囲外になっていれば、レジストを除去後、ウエ
ハとマスクとをずれ量分オフセットして再度位置合わせ
した上で再び同じレジストパターンを露光により形成す
ることになる。
【0010】ところで、このようなずれ量を検出するた
めに光学的な反射光を受光する検出器は、図1のX軸方
向のCCDリニアセンサ10とY軸方向のCCDリニア
センサ11である。一方、従来のようにレーザビームに
合わせて対物レンズ1の中心、リレーレンズ2a,3
a、そしてCCD10,11の検出器の中心を調整した
場合に、対物レンズ系1と、リレーレンズ2a,シリン
ドリカルレンズ2b(X軸方向)、リレーレンズ3a,
シリンドリカルレンズ3b(Y軸方向)などの光学系で
決定される視野の中心と実際の光学系の中心とにずれが
ある。このずれは、レンズの外径精度や加工精度、取付
状態、光学系の調整状態によって発生する。もちろん、
この光学系による視野の中心と検出器であるCCDリニ
アセンサ10,11の中心とはここでは現在調整済みで
一致しているものとする。
【0011】4は、ハーフミラーであって、X方向とY
方向との検出系にウエハからの反射光を分離する。5
は、照明光学系であって、光源50と、光量調整フィル
タ51、光路光路の途中に設けられたファイバ52と、
照明光を絞る絞り機構53、視野絞り54、そして、ハ
ーフミラー55と、これら各要素に対応して設けられた
集光あるいは平行光を発生するレンズ系とからなる。な
お、6a,6bは、リレーレンズ2a,3aの手前にそ
れぞれ設けられたX方向,Y方向の視野設定可変スリッ
トであり、7は、ウエハチャック、8は、ウエハチャッ
ク7をXYZ方向に移動させるXYZ移動ステージ、9
は、ウエハチャック7にチャックされたウエハである。
【0012】図3に示すように、一般に、光学系の歪み
は、光学系中心から二次曲線で歪みが増加する。通常、
従来の調整だけでは、光学系中心(以下視野の中心と区
別をするためにこれを歪みの中心という)は、視野中心
Os からずれている。この歪みの中心Od と視野の中心
Os とのずれ量が大きくなると、いくら精度の高い調整
を行っても高精度なレジストレーション測定を行うこと
はできない。歪みの中心Od が視野の中心Os らずれれ
ばずれるほど歪みの大きいところでレジストレーション
測定を行うことになるからである。一方、この歪みの中
心Od をCCDリニアセンサ10,11の検出系の中心
と一致させれば、従来の調整においても、検出系と光学
系との中心が一致して歪みが少なく、高精度の測定がで
きる。
【0013】そこで、図1においては、CCDリニアセ
ンサ10,11の位置を移動させるX方向,Y方向のリ
ニア移動機構12,13が設けられている。制御装置2
0は、光学系の歪み中心Od の位置を求めて、これら移
動機構12,13と移動機構等駆動回路14とを制御し
てCCDリニアセンサ10,11の中心を歪みの中心に
一致させる制御をする。A/D変換回路(A/D)15
は、制御装置20により制御されてCCDリニアセンサ
10,11の検出信号をデジタル化して制御装置20に
送出する。
【0014】制御装置20は、画像メモリ16、デジタ
ルシグナルプロセッサ(DSP)17、フォーカスコン
トローラ18、MPU19、そしてメモリ21等で構成
され、バス22を介してMPU19とDSP17、フォ
ーカスコントローラ18、メモリ21等が相互に接続さ
れている。A/D15は、CCDリニアセンサ10,1
1からの検出信号を受け、所定のサンプリング周期でA
/D変換したデータを画像メモリ16に送出する。画像
メモリ16は、A/D15からのデータを順次記憶す
る。
【0015】DSP17は、MPU19に制御されて画
像メモリ16のデジタルデータを受けてこれから図7
(b) に示す前記のずれ量ΔX(ΔY)を高速に算出し
て、算出結果をMPU19に送出する。これは、ずれ量
算出専用のプロセッサである。フォーカスコントローラ
18は、MPU19に制御されてCCDリニアセンサ1
0,11、A/D15、画像メモリ16を制御し、画像
メモリ16からのデータを受けてXYZ移動ステージ8
をZ方向に移動させて焦点合わせを行う。なお、この焦
点合わせ処理については、発明に直接関係していないの
で割愛する。メモリ21には、マークのずれ量測定プロ
グラム21a,歪み中心Od とのずれ量算出プログラム
21b、視野中心ずれずれ量算出プログラム21c、そ
してCCD中心位置合わせプログラム21d等が設けら
れている。23は、制御装置20からの制御信号に応じ
てXYZ移動ステージ8をX,Y,Zの方向に移動させ
る駆動信号をXYZ移動ステージ8に送出するステージ
駆動回路である。
【0016】以下、図2に従って歪み中心Od と検出器
の中心との位置合わせ処理についてX軸方向を中心に説
明する。なお、Y軸方向については同様であるので、特
に必要な場合を除いて説明を割愛する。まず、MPU1
9がマークパターンのずれ量測定プログラム21aを実
行して、ウエハ9上のあるレジストレーションパターン
(マークパターンとして)、例えば、図3(a) に示すよ
うに、レジストレーションパターン30aの外側パター
ンの内側枠33の中心に対物レンズ系1の視野中心Os
を位置付けてDSP17を起動し、レジストレーション
パターン30aのずれ量Δaを測定する(ステップ10
0)。
【0017】次に、図3(b) に示すように、ウエハ9を
180°回転して、回転前のレジストレーションパター
ン30aに対してウエハ9上でその中心Oに対して回転
前のチップ24と点対称の位置にある、点線で示す回転
後のチップ24の周囲にあるレジストレーションパター
ン30aに対して同様に外側の内側枠33の中心に対物
レンズ系1の視野中心Os を位置付けてDSP17を起
動し、レジストレーションパターン30aのずれ量Δr
を測定する(ステップ101)。そして、真のマークず
れ量δを、 δ=(Δa−Δr)/2 により算出する。すなわち、δx =(Δax −Δrx )
/2,δy =(Δay −Δry )/2によりδx ,δy
を算出する(ステップ102)。ここで、レジストレー
ションパターン30aの視野中心Os における光学系中
心からの歪み量をDaとすると、180°回転したレジ
ストレーションパターン30aの視野中心Os における
光学系の歪み量DrもDr≒Daになる。
【0018】図3(a) ,(b) の下側に示すグラフは、こ
の歪みの状態を説明するものであって、(a) は、回転前
である0°のときの視野における歪み中心Od とずれ量
のベクトルVとの関係を示していて、この場合にずれ量
Δに加わる歪み量Dは、OdとOs との差であるDaに
なる。一方、(b) は、180°回転後の視野における歪
み中心Od とずれ量のベクトルVとの関係を示してい
て、この場合にずれ量Δに加わる歪み量は、Od とOs
との差であるDrになる。0°と180°では、ベクト
ルVの方向が逆転してその長さは、ほぼ等しい。歪み中
心Od からの歪み量は、放射状に大きくなっていて、歪
み量Da,Drは、ずれ量Δa,Δrに対して相互に逆
方向に作用する。しかも、ずれ量Δa,Δrの方向も反
転している。そこで、歪みがずれ量に及ぼす長さは、い
ずれも同じ方向になる。すなわち、歪み量Daに対して
歪みがその長さを縮める方向に作用するとすれば、歪み
量Drに対しては長さの方向が反転してそれを延ばす方
向に作用する。したがって、いずれも歪みによる長さの
作用は、減算方向あるいは加算方向の一方方向になる。
【0019】また、図3では、説明の都合上、二次曲線
の湾曲を大きく描いているが、歪みみ中心Od から視野
中心Os までの距離rは、通常、大きく離れていないの
で、視野中心Os の前後の曲線をある傾きの直線として
扱えば、ベクトルVに対して加わる歪み量DaとDrの
値はほぼ等しくなる。すなわち、ずれ量Δa,Δrにつ
いては、 Δa=Da+δ Δr=Dr−δ ただし、Da≒Dr その結果、 (Δa−Δr)/2={(Da+δ)−(Dr−δ)}
/2≒δ となる。なお、図3では、レジストレーションパターン
30aの位置が0°と180°において、内側のパター
ンの中心Oと視野中心Os とが歪み中心Od に対して同
じ右側にある場合の例を示しているが、これらが同じ左
側にあっても歪み量Da,Drは、ずれ量Δa,Δrに
対して相互に逆方向に作用する関係は変わらない。
【0020】一方、歪み中心Od と視野中心Os とが近
傍していて、レジストレーションパターン30aの位置
が0°と180°において、内側のパターンの中心Oと
視野中心Os とが歪み中心Od に対して相互に反対側に
あるときには、歪み量Da,Drは、ずれ量Δa,Δr
に対して相互に逆方向に作用する量がアンバランスにな
る。いずれか一方の歪み量が他方よりも大きくなるが、
このときの歪み量は、ずれ量Δa,Δrが所定の許容範
囲内の長さに対して測定される関係で、ずれ量Δa,Δ
rに対する歪み量Da,Drが小さくなるので、前記の
場合に比べて真のずれ量δに与える影響は小さい。特別
な場合として歪み中心Od と視野中心Os とが接近して
いる場合には、歪み量Da,Drは、ずれ量Δa,Δr
に対して相互に同じ方向に作用するが、このような場合
には、Δa≒Δrとなっているので、検出器の中心位置
補正をしなければよい。
【0021】すなわち、Δa≒Δr以外のとき、言い換
えれば、Δa−Δr>αか否かをδx >αx またはδy
>αy かを判定をする(ステップ103)。いずれもが
小さい場合には、NO条件が成立して歪み中心Od と視
野中心Os とがずれていないものとして調整を行わな
い。いずれか一方の条件が成立したときには、YESと
なり、δx =(Δax −Δrx )/2,δy =(Δay
−Δry )/2により、求めたX軸方向の真のマークず
れ量δx とY軸方向の真のマークずれ量δy とをメモリ
21の所定の領域に記憶する(ステップ104)。な
お、前記のα(=αx ,αy )は、実験値として求める
ことができる。次に、レジストレーションパターン30
aを180°回転して元の位置に戻して(ステップ10
5)、MPU9は、視野中心ずれずれ量算出プログラム
21cを実行して、視野中心Os を固定して、レジスト
レーションパターン30aをX軸上で移動させて、各位
置でずれ量Δaを測定する。Y軸方向も同様にずれ量を
測定する(ステップ106)。
【0022】図4は、このずれ量Δaの測定状態を説明
している。レジストレーションパターン30aを,
,,,の順で移動してそれぞれの位置において
ずれ量Δaを測定する。この間、視野中心Os は、最初
にΔaを測定したの位置に固定されている。したがっ
て、での測定値は不要であるが、説明の都合上示して
ある。その結果、内側枠33の中心が視野中心Os から
ずれた量に応じたずれ量Δを測定することができる。そ
の結果の一例が図5である。前記の真のマークずれ量δ
x =−39nmとすれば、図4(b) のグラフにおいて、
その点は、固定した視野中心Os に+4.4μmの位置
にあることが分かる。そこで、この位置をCCDに対す
る移動制御量とし、Xo =+4.4μmをメモリ21の
所定の領域に記憶する。Y方向も同様にして移動制御量
Yo を算出してメモリ21に記憶する。
【0023】ところで、図5において、ずれ量ΔaがX
軸方向の増加にともなって減少しているのは、視野内で
歪み中心Od を境にして長さ測定方向に対して左右で歪
み量の方向が反転するので、測定量Δから歪み量D分が
引かれることになることによる。ここでは、歪み中心O
d における歪み量がどの程度であるが測定できないの
で、この歪み量が非常に小さいものとみなして、前記真
のマークずれ量δx と一致する位置を歪み中心Od の位
置とする。そこで、ステップ107において、Δax =
δx ,Δay =δy 否かの判定をし、一致していないと
きには、軸方向にレジストレーションパターンを所定量
移動させてステップ106へと戻る。このように一致点
を検出するのは、理想的な場合として、歪みの中心で
は、歪み量がないと仮定すれば、この一致点で測定した
ずれ量は、真のずれ量に対応するからである。すなわ
ち、レジストレーションパターン30aを,,,
,の順位移動してそれぞれの位置においてずれ量Δ
ax(=ΔaのX軸での値)がδx ,ずれ量Δay(=
ΔaのY軸での値)がδy に一致した値あるいは最も近
い値のX座標の移動制御量Xo とY座標の移動制御量Y
o を求める(ステップ106,107,108)。そし
て、Xo ,Yo をメモリ21の所定の領域に記憶する
(ステップ109)。
【0024】次に、MPU9は、CCD中心位置合わせ
プログラム21dを実行して、メモリ21から移動制御
量Xo ,Yo を読出してCCD10の受光中心を視野に
おいて座標Xo ,Yo 分だけ移動させる制御信号を視野
と受光領域との倍率に応じて生成して移動機構等駆動回
路14に送出し、これによりX方向のリニア移動機構1
2を制御して、CCD10の受光中心を視野においてX
o だけ移動させ、視野Yo 分だけ移動させる制御信号に
よりY方向のリニア移動機構13を制御してCCD11
の受光中心を視野においてYo だけ移動させ、検出中心
を歪み中心Odに一致させるか、その近傍に位置付ける
(ステップ110)。
【0025】
【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明によるレ
ジストレーション測定測定方法および装置にあっては、
同じ位置ずれ量測定パターンを180°回転させてずれ
量を測定し、回転前のずれ量との差を採ることにより、
光学系の歪みに影響されないで本来のずれ量に近い値を
第3のずれ量として得て、検出器の検出中心を第3のず
れ量に対応する視野分だけ移動させることにより、検出
器の検出中心を光学系の本来の中心に一致させる。その
結果、光学系の歪みによる測定誤差がほとんどなくな
り、高精度なずれ量が測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の位置ずれ量測定光学系の調
整方法を適用した一実施例のレジストレーション測定装
置の説明図である。
【図2】図2は、光学系中心と検出器の中心の位置調整
処理のフローチャートである。
【図3】図3は、レジストレーションパターンの歪み量
とずれ量との関係についての説明図であって、(a) は、
回転前のレジストレーションパターンについての説明
図、(b) は、180°回転後のレジストレーションパタ
ーンについての説明図である。
【図4】図4は、視野中心から測定点をずらせてずれ量
を測定する説明図である。
【図5】図5は、図4における測定結果の一例の説明図
である。
【図6】図6は、レジストレーションパターンについて
の説明図であって、(a) は、エッチングパターンの内側
にレジストパターンがある例、(b) は、エッチングパタ
ーンの上側にレジストパターンある例、(c) は、レジス
トパターンの内側にエッチングパターンがある例であ
る。
【図7】図7は、ウエハ上のチップおよびレジストレー
ションパターンの配置と検出器の検出信号についての説
明図であって、(a) は、ウエハ上のチップおよびレジス
トレーションパターンの配置を示し、(b) は、検出信号
を示す。
【符号の説明】
1…対物レンズ、2a,3a…リレーレンズ、4,55
…ハーフミラー、5…照明光学系、6a,6b…視野設
定可変スリット、7…ウエハチャック、8…XYZ移動
ステージ、9…ウエハ、10,11…CCDリニアセン
サ、15…A/D変換回路(A/D)、16…画像メモ
リ、17…高速数値演算プロセッサ、18…フォーカス
コントローラ、19…MPU、20…制御装置、21…
メモリ、22…バス、30…レジストレーションパター
ン、31…エッチングパターン、32…レジストパター
ン、33…外側パターンの内側枠、50…光源、51…
光量調整フィルタ、52…ファイバ、53…絞り機構、
54…視野絞り。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】視野の中心にその中心が位置付けられ位置
    ずれ量測定パターンからの光を受光して位置ずれ量を表
    す検出信号を発生する検出器を有し、前記検出信号によ
    り位置ずれ量を測定する位置ずれ量測定装置における測
    定光学系の調整方法において、 前記検出器の検出中心を移動させる移動機構を備え、 前記位置ずれ量測定パターンのずれ量を測定して得たず
    れ量を第1のずれ量とし、この位置ずれ量測定パターン
    を180°回転させてそのずれ量を測定して得たずれ量
    を第2のずれ量とし、 前記第1のずれ量と前記第2のずれ量との差を第3のず
    れ量として得て、この第3のずれ量に応じて前記移動機
    構により前記検出器の中心を前記第3のずれ量に対応す
    る視野分だけ移動させる位置ずれ量測定光学系の調整方
    法。
  2. 【請求項2】前記第3のずれ量は、前記第1のずれ量と
    前記第2のずれ量との差の1/2である請求項1記載の
    位置ずれ量測定光学系の調整方法。
  3. 【請求項3】視野の中心にその中心が位置付けられ位置
    ずれ量測定パターンからの光を受光して位置ずれ量を表
    す検出信号を発生する検出器を有し、前記検出信号によ
    り位置ずれ量を測定する位置ずれ量測定装置において、 前記検出器の検出中心を移動させる移動機構と、 前記位置ずれ量測定パターンのずれ量を第1のずれ量と
    して測定し、この位置ずれ量測定パターンを180°回
    転させてそのずれ量を第2のずれ量として測定するずれ
    量測定手段と、 前記第1のずれ量と前記第2のずれ量との差の1/2を
    第3のずれ量として算出する手段と、 前記第3のずれ量に応じて前記移動機構を制御して前記
    検出器の中心を前記第3のずれ量に対応する視野分だけ
    移動させる移動手段とを備える位置ずれ量測定装置。
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