JP3315540B2 - 位置計測装置、位置合わせ装置、露光装置およびデバイスの製造方法 - Google Patents
位置計測装置、位置合わせ装置、露光装置およびデバイスの製造方法Info
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Description
半導体ウェハ上に形成されたパターンに対してレチクル
像を露光転写するためにレクチルとウェハとを高精度に
位置合わせする位置合わせ装置を備えた露光装置に関す
る。
に進み、その半導体集積回路を製造する際の露光装置に
おいてはサブミクロンの解像度、これに対応した高精度
アライメントが強く要求されている。
像とウェハとの位置合わせ(以下、「アライメント」と
いう)を行なう場合、ウェハステージ上に置かれたウェ
ハを顕微鏡下に搬入し、該顕微鏡でウェハ上の位置合わ
せ用マーク(以下、「ウェハマーク」という)を観察
し、顕微鏡基準に対するウェハマークの位置ずれ量とそ
のときのステージポジションからウェハ位置を計測し、
レチクル投影像に対してウェハをアライメントする。
の手段としては、ウェハマークを照明し、この時のウェ
ハマークの光学像を対物レンズ、リレーレンズ、エレク
ターレンズで撮像素子上に拡大投影する方法が採られ
る。通常、この撮像素子として、撮像管または固体撮像
素子が使用されるが、座標の精度、安定性、画面内計測
の同時性等が計測精度に有利でかつ信頼性が高いという
ことでCCDと呼ばれる固体撮像素子を使用しているこ
とが多いため、以下の記述はCCDを例に取って説明す
る。
光学像はCCDの各画素ごとにその明るさに比例した電
気信号に変換される。その画像信号を処理することによ
りウェハマークの位置ずれ量が計測される。物理的な分
解能は、CCDの画素ピッチと顕微鏡の結像倍率により
決定される。CCDの標準的な画素数は500×500
程度であり、計測に必要な画面サイズは100〜200
μm□程度である。そのため、物理的な分解能は、0.
2〜0.4μm程度となる。実際には、ウェハマークの
光学像によるCCD画素ピッチごとの離散的なデータ
を、従来から提案されてきた様々な画像処理方法、例え
ば、 A.選択されたデータから波形を類推し、そのピーク位
置を計測する B.波形形状から面積計算を行い、その図形の重心位置
を計算する C.波形の左右のスロープの対称性がもっとも高くなる
中心位置を計算する 等により処理することで、物理的な分解能の1/5〜1
/10程度の計測分解能が得られている。
な信号波形に対して、CCDの画素ピッチが十分小さ
く、十分な計測点数がある場合には、CCDの画素位置
が光学的な信号波形に対してどの位置にあったとしても
同じ計測値を出すことができる。そのためには、顕微鏡
の結像倍率を高くするか、高分解能のCCDを使用すれ
ばよいが、結像倍率を高くすると検出光量が減少してS
N比を落し、検出エラーを引き起こすという欠点があ
り、また、高分解能のCCDを使用すると装置のコスト
が高くなるという欠点があるので、なかなかそうもいか
ない。
マーク信号を検出すると、相対的に計測点数が不十分
で、CCDの画素位置により測定値が変動する場合があ
る。すなわち、計測分解能不足による測定リニアリティ
不良になるといった問題点がある。
鑑みてなされたものであって、少ない計測回数で、精度
よくリニアリティーエラーを低減することができる位置
計測装置、位置合わせ装置、露光装置およびデバイスの
製造方法を提供することを目的とする。
に本発明は、マークを有する被測定物を保持する移動ス
テージと、固体撮像素子を有する測定顕微鏡とを相対移
動させ、前記被測定物のマークの像を前記測定顕微鏡の
固体撮像素子上に結像させて、前記マークの位置を計測
する位置計測装置において、前記固体撮像素子の画像分
解能をPとし、前記移動ステージと前記測定顕微鏡とを
Wpずつ相対移動させて前記固体撮像素子上に結像され
るマークの位置をM回計測し、それらの計測値を演算し
て前記マークの位置を算出するとき、前記移動ステージ
と前記測定顕微鏡の相対移動量Wpは、Nを整数とし
て、 Wp=P×N±P/M を満たすことを特徴とする。
前記マークの位置に基づいて、前記被測定物の位置合わ
せを行う位置合わせ装置や、前記位置合わせ装置によ
り、レチクルとウェハとの相対的な位置合わせを行いレ
チクルパターンをウェハ上の露光転写する露光装置も本
発明に属し、さらに本発明は、表面に感光剤が塗布され
たウェハにマスクの回路パターンを露光する工程を有す
るデバイスの製造方法において、前記露光時に、前記露
光装置を用いたことを特徴とする。
有する被測定物が置かれた移動ステージと、固体撮像素
子を有する測定顕微鏡とを相対移動させ、測定顕微鏡の
観察視野内に被測定物のマークを入れ、該マークの像を
測定顕微鏡の固体撮像素子上に投影結像させて、マーク
位置を計測する際、前記ステージと前記顕微鏡とを相対
的に所定量ずつ移動させてマーク像を計測し、当該複数
位置でのマーク像の計測値を平均してマーク位置を算出
する。
号波形とCCD画素との相対関係が異なる複数位置での
計測値を平均してウェハマーク計測値とすることによ
り、リニアリティーエラーを低減させることが可能とな
る。
倍数)、ウェハ上スケールでのCCD画素分解能をPと
した時、ウェハステージP/MずつシフトさせたM点で
の測定値を平均する事により、少ない計測回数で、精度
よくリニアリティーエラーを低減することが可能とな
る。
計測する場合に、ウェハマークのピッチをWp、マーク
本数をM(Mは2の倍数)とすると、 Wp=P×N+P/M(但し、Nは整数) と配置したウェハマークを計測することにより、精度よ
くリニアリティーエラーを低減することが可能となる。
て説明する。
せ装置を好適に実施する露光装置の一例を示す概略構成
図である。図2はウェハ上に形成された位置合わせ用マ
ーク(以下、「ウェハマーク」という)を示す図であ
る。
に、光源となる水銀ランプ2を用いてレクチル3を照明
する照明系1と、ウェハ5にレクチル像を投影する投影
レンズ4とを有し、さらに、ウェハ−5を吸着固定する
ウェハチャック8を有する移動駆動可能なウェハステー
ジ6、ウェハ5上のウェハマークの位置を顕微鏡基準と
して計測して位置ずれ量を算出するためのオフアクシス
顕微鏡7、ウェハステージ6の位置を検出する不図示の
レーザ干渉計、および上記各構成を演算制御するための
不図示の演算制御手段から少なくとも構成された位置計
測装置および位置合わせ装置を備えている。なお。ウェ
ハ上には図2に示すようなウェハマークが形成されてい
る。
ェハ搬送系によりウェハチャック8上に搬入される。ウ
ェハチャック8に吸着固定されたウェハ5は、ウェハス
テージ6によりウェハマークがオフアクシス顕微鏡7の
観察視野内に入るように送り込まれる。そして、ウェハ
ステージ6をステップさせウェハ5上の複数のウェハマ
ークをオフアクシス顕微鏡7により測定すると共に、各
ウェハマークを測定している時の、ウェハステージ6の
座標、および顕微鏡基準に対するウェハマークの位置ず
れ量とから、移動すべきウェハの位置を統計的に決定す
る。これに基づく所定量でウェハステージ6が駆動さ
れ、レチクル3の投影像とウェハパターンの位置合わせ
が行なわれる。
1、リレーレンズ72、エレクターレンズ73、固体撮
像素子であるCCD74、落射照明系75により構成さ
れ、照明系75により照明された被測定物であるウェハ
のウェハマークは、対物レンズ71、リレーレンズ7
2、エレクターレンズ73を通ってCCD74上に結像
される。
関係を摸式的に示す。図4はその時の拡大図でウェハマ
ークの光学的な信号波形とCCDとの関係を示す。
形に対してCCDの画素が対称に配置されている場合
は、CCD計測値から推定される信号波形と近似形とな
り計測誤差は発生しない。ところが、図4(B)に示す
ように、光学的な信号波形に対してCCDの画素が対称
に配置されない場合には、CCDの計測値から推定され
る信号波形は、光学的な波形に対して異なる形状とな
り、計測誤差が発生する。図5は、ウェハステージによ
りウェハマークを移動させたときの、マーク移動量とウ
ェハマーク計測値との関係を示す。
が、上記理由による計測誤差が発生し、画素ピッチ周期
で計測値が変動する。これをリニアリティエラーとす
る。図6(A)は図5からリニア成分を除き1画素分を
拡大して表示したものである。図6(A)に示すリニア
リティエラーがある場合に、1回目はステージ上の任意
の位置でウェハマーク計測を行い、2回目は画素ピッチ
Pの1/2でウェハをステップ駆動しウェハマーク計測
を行い、1回目2回目の平均値を計算する。このとき
の、ステージ座標位置と、ウェハマーク計測の平均値の
リニアリティエラーとの関係を図6(B)に示す。ま
た、図6(C)は、ウェハのステップ量を画素ピッチの
1/4とし、各位置でウェハマーク計測を行い、それを
計4回繰返し、4回のウェハマークの計測の平均値を計
算し、ステージ座標位置と、ウェハマーク計測の平均値
のリニアリティエラーとの関係を示している。
均した場合には、リニアリティエラーのピーク値は統計
的に考えると、1点のデータに対して、1/√2あるい
は1/√4=1/2に低減する。図6に示すような、本
発明の方法を使うことにより、2点での平均値を使用し
た場合には約1/3に、4点での平均値を使用したとき
には約1/10と効率よく計測誤差を低減させることが
可能となった。
平均回数をMとしたとき、ステージの駆動量をP/Mと
したが、ステージ駆動量を画素ピッチの整数倍にP/M
を加えた量、即ち、 P×N+P/M(Nは整数) ずつ駆動して計測しても当然同様の結果が得られる。
フアクシス顕微鏡との組合せを例に取って示したが、レ
クチルマークや基準マーク等をTTL顕微鏡やレクチル
顕微鏡などマークを像としてとらえ、位置を計測する顕
微鏡について本発明の手法を適用できる。
が、逆にマークを固定した状態で顕微鏡を動かす等、マ
ーク像と画素との関係を相対移動させながら計測するこ
とにより同様の効果が期待できる。
装置によるベースライン計測手法について説明する。ベ
ースラインとは、投影光軸から顕微鏡基準までの距離の
ことである。通常、レクチル投影像に対してウェハの位
置合わせを行う際、ウェハマークを顕微鏡基準で計測し
て、そのずれ量に予め計測しておいたベースラインの量
を加算してレンズ下に送り込むことで位置合わせを行う
ことができる。しかし、ベースライン計測誤差がある
と、全てウェハで計測誤差分シフトが加算されてしま
う。そのため、ウェハ計測以上にベースライン計測精度
を高くする必要があり、多少時間がかかったとしても、
より正確に計測する必要がある。
を投影レンズ4の下に送り込み、TTL顕微鏡9でレク
チル3上のレクチルマークとウェハ5上のウェハマーク
との位置ずれ量Dttlを計測し、同時にウェハステージ
6のポジションPttlを計測する。続いて、ウェハステ
ージ6を移動して、上記ウェハマークをオフアクシス顕
微鏡下に送り込みオフアクシス顕微鏡基準に対するウェ
ハマーク位置ずれ量Doaを計測し、同時にステージポジ
ションPoaを計測する。この時のベースライン計測値L
baseは、 Lbase=(Pttl−Dttl)−(Poa−Doa) で求められる。
み、TTL顕微鏡でレクチルとウェハとのずれ量を計測
する。但し、その時のステージポジションは前回計測し
たステージポジションに対して、S1シフトさせる。こ
こでシフト量S1は、TTL顕微鏡の画素分解能をP
1、計測繰返し回数をMとした、 S1=P1/M とする。続いて、オフアクシス顕微鏡下にウェハを送り
込みオフアクシス顕微鏡基準に対するウェハマークの位
置ずれ量を計測する。但し、その時のステージポジショ
ンを前回計測したステージポジションに対して、S2シ
フトさせる。シフト量S2は、オフアクシス顕微鏡の画
素分解能をP2として、 S2=P2/M とする。この時のベースライン計測値を求める。
均をベースライン量とする。
計測することが可能になり、そのベースライン量を用い
て、ウェハ、レクチル間の位置合わせを行い露光するこ
とにより、レクチルパターンを正確にウェハ上転写する
ことが可能になる。
ハ上に形成して位置ずれ量を求めるアライメントずれ測
定装置を例にとって本発明の計測手法について説明す
る。
ェハパターン)にレジストパターンが形成される様子を
示す図、図8は、アライメントずれ測定装置の一例を示
す図である。
ターン11が形成され、レジスト12が塗布されたウェ
ハ13上に、露光装置によりマスク16のレクチル像が
ウェハ上13の計測基準パターン11に対して位置合わ
せされて投影転写される。そして、ウェハ13を現像す
ることにより、図7(B)に示すように、ウェハ13上
には計測基準パターン11上に、レジストパターン12
aが形成される。
されたウェハ13を図8に示すアライメントずれ測定装
置のウェハステージ14上に搬入し、ウェハステージ1
4によりウェハ1上の計測パターン部が、顕微鏡15下
に送り込まれる。図7(B)に示した計測基準パターン
11及びレジストパターン12aは、顕微鏡15の対物
レンズ151、リレーレンズ152、エレクターレンズ
153を介してCCD154上に拡大投影される。
図7(C)に示すような計測基準パターンの第1のエッ
ジ位置からレジストパターンの第1のエッジ位置までの
距離をL1、レジストパターンの第2のエッジ位置から
計測基準パターンの第2のエッジ位置までの距離をL2
として(L1−L2)/2を計算することで、計測基準
パターン(ウェハパターン)に対するレジストパターン
のアライメントずれ量が計測される。
は、ステージを駆動して画素位置に対するパターン位置
をずらした複数箇所で計測しその平均値を求める。その
時のステージ駆動量Wpは平均回数をM、画素分解能を
Pとしたとき、 Wp=P×N±P/M とすることにより、少ない平均回数で、高精度にアライ
メントずれ量を計測することが可能になる。
実施例では、1本のウェハマークごとにリニアリティエ
ラー改善のための計測をするように説明したが、複数本
のウェハマークを使用しても同様の効果を出すことがで
きる。すなわち、マークの本数をM本(Mは2の倍数)
とし、マーク位置換算の画素ピッチをPとしたとき、ウ
ェハマークのピッチを P×N+P/M(Nは整数) とすると、リニアリティ改善効果が高いマークが得られ
る。
て考えなくてはならない場合には、上記関係式に当ては
まるように、結像倍率を決めることで同様の効果を出す
ことができる。
置合わせ装置を好適に実施可能な露光装置を利用した、
デバイスの製造方法の実施例を説明する。
半導体チップ、液晶パネル、CCD、薄膜磁気ヘッド、
マイクロマシン等)の製造工程を示すフローチャートで
ある。ステップ171(回路設計)では、半導体デバイ
スの回路設計を行なう。ステップ172(マスク製作)
では設計した回路パターンを形成したマスクを製作す
る。このマスクは反射型マスクである。一方、ステップ
173(ウェハ製造)ではシリコン等の材料を用いてウ
ェハを製造する。ステップ174(ウェハプロセス)は
前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウェハを用い
て、リソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路
を形成する。次のステップ175(組立)は後工程と呼
ばれ、ステップ174によって作製されたウェハを用い
て半導体チップ化する工程であり、アセンブリ工程(ダ
イシング、ボンディング)、パッケージング工程(チッ
プ封入)等の工程を含む。ステップ176(検査)では
ステップ175で作製された半導体デバイスの動作確認
テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程
を経て半導体デバイスが完成し、出荷(ステップ17
7)される。
程を示すフローチャートである。ステップ181(酸
化)ではウェハの表面を酸化させる。ステップ182
(CVD)ではウェハ表面に絶縁膜を形成する。ステッ
プ183(電極形成)ではウェハ上に電極を蒸着によっ
て形成する。ステップ184(イオン打込み)ではウェ
ハにイオンを打ち込む。ステップ185(レジスト処
理)ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ186
(露光)では、上記説明したマスクと露光装置によって
マスクの回路パターンをウェハを現像する。ステップ1
88(エッチング)では現像したレジスト像以外の部分
を削り取る。ステップ189(レジスト剥離)ではエッ
チングが済んで不要となったレジストを取り除く。これ
らのステップを繰り返し行なうことによって、ウェハ上
に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方
法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導
体デバイスを製造することができる。
有する被測定物が置かれた移動ステージと、固体撮像素
子を有する測定顕微鏡とを相対移動させ、測定顕微鏡の
観察視野内に被測定物のマークを入れ、該マークの像を
測定顕微鏡の固体撮像素子上に投影結像させて、マーク
位置を計測する際、ハード的に変更することなく、単に
顕微鏡の固体撮像素子であるCCDの分解能に依存する
量だけ、マークの位置をずらして平均化する事により、
計測エラーを効率よく低減することが可能になる。
装置の一例を示す概略構成図である。
す図である。
的に示す図である。
関係を示す図である。
たときの、マーク移動量とウェハマーク計測値との関係
を示す図である。
表示したもので、ステージ座標位置とウェハマーク計測
の平均値のリニアリティエラーとの関係を示す図であ
る。
ン)にレジストパターンが形成される様子を示す図であ
る。
る。
である。
示すフローチャートである。
Claims (4)
- 【請求項1】 マークを有する被測定物を保持する移動
ステージと、固体撮像素子を有する測定顕微鏡とを相対
移動させ、前記被測定物のマークの像を前記測定顕微鏡
の固体撮像素子上に結像させて、前記マークの位置を計
測する位置計測装置において、 前記固体撮像素子の画像分解能をPとし、前記移動ステ
ージと前記測定顕微鏡とをWpずつ相対移動させて前記
固体撮像素子上に結像されるマークの位置をM回計測
し、それらの計測値を演算して前記マークの位置を算出
するとき、前記移動ステージと前記測定顕微鏡の相対移
動量Wpは、Nを整数として、 Wp=P×N±P/M を満たすことを特徴とする位置計測装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の位置計測装置により算
出された前記マークの位置に基づいて、前記被測定物の
位置合わせを行う位置合わせ装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載の位置合わせ装置によ
り、レチクルとウェハとの相対的な位置合わせを行い、
レチクルパターンをウェハ上に露光転写する露光装置。 - 【請求項4】 表面に感光剤が塗布されたウェハ上にレ
チクルパターンを露光する工程を有するデバイスの製造
方法において、 前記露光時に、請求項3に記載の露光装置を用いたこと
を特徴とするデバイスの製造方法。
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