JP3666051B2 - 位置合わせ方法及び装置、並びに露光方法及び装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、加工対象の基板上の複数の被露光領域に付設された位置合わせ用マークの位置に基づいてそれら被露光領域を位置合わせする位置合わせ方法に関し、特に例えばレチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に転写する露光装置において、そのウエハ上の複数のアライメントマークの計測された位置を統計処理して、各ショット領域の位置合わせを行う場合に適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、マスクとしてのレチクルのパターンを投影光学系を介して感光材料が塗布されたウエハ(又はガラスプレート等)上の各ショット領域に投影する投影露光装置(ステッパー等)が使用されている。これに関して、例えば半導体素子はウエハ上に多数層の回路パターンを重ねて露光することにより形成されるので、2層目以降の回路パターンをウエハ上に投影露光する際には、ウエハ上の既に回路パターンが形成された各ショット領域とレチクルのパターンとの位置合わせ(アライメント)を高精度に行う必要がある。従来の投影露光装置におけるウエハの位置合わせ方法として、次のようなエンハンスト・グローバル・アライメント(以下、「EGA」という)方式が知られている(例えば特開昭61−44429号公報参照)。
【0003】
このEGA方式のアライメント方法では、ウエハ上の多数のショット領域より予め選択されたショット領域(サンプルショット)に付設されたアライメントマーク(ウエハマーク)のステージ座標系上での座標値を計測し、例えばこれらの計測値(アライメントデータ)と設計上の配列座標との差分であるアライメント誤差の自乗和が最小になるような線形近似計算(EGA計算)を行うことにより各ショット領域の配列座標を算出し、このように算出された配列座標に基づいて各ショット領域の位置合わせを行っている。
【0004】
ところが、上記の如き従来のEGA方式のアライメント方法においては、複数のアライメントデータ中に、アライメント誤差から線形成分を差し引いて得られる非線形成分が他のアライメントデータに比べて特に大きい所謂跳びデータ(跳びショット)が含まれている場合があった。このような跳びデータは、ウエハ上のそのアライメントデータに対応するウエハマークの崩れ等に起因する計測エラー、又はウエハ上の局所的な非線形歪みにより発生するものであるため、そのウエハマークが付設されているショット領域以外のショット領域の配列座標を算出する場合に、そのような跳びデータをそのまま使用すると、算出される配列座標の精度が低下する恐れがある。
【0005】
そのため、従来は1つの方法として、得られたアライメントデータ中から跳びデータを検出し、検出された跳びデータを除外してEGA方式のアライメントを行っていた。
また、別の方法として、本出願人が特開平3−91917号公報で開示しているように、例えばアライメント系により各ウエハマークの位置検出を行う際に得られる検出信号の強度、又はその検出信号の左右対称性等に応じて各アライメントデータの信頼度を定量化し、この信頼度をEGA計算にフィードバックする方法がある。これは、アライメント測定時に得られた情報からアライメントデータの信頼度を求め、この信頼度に応じた重みを各アライメント誤差に付与して、EGA計算を行うという方法である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如き従来のアライメント方法の内で、前者のように跳びデータを除外してEGA計算を行う方法においては、明らかに跳びデータと断定できる場合は高精度にアライメントを行うことができる。しかしながら、得られた非線形誤差成分が跳びデータを示すのか、又は単純な測定ばらつきを示すのかを的確に判断することが困難な場合に、除外すべきでないアライメントデータを除外してしまったり、逆に除外すべきデータを使用してしまうという不都合があった。
【0007】
更に、あまりに多くのアライメントデータを除外すると、ウエハからの情報に場所的な偏りが生じ、結果としてウエハのごく一部の領域からの情報だけに基づいてウエハ上の全ショット領域の配列を推定することになり、位置合わせ精度が劣化してしまうという不都合もあった。
一方、後者のように検出信号の状態等に応じてアライメントデータの信頼度を定量化する方法は、測定値の跳びが例えばウエハマークの状態に起因している場合には有効である。しかしながら、例えば前工程での露光時にウエハステージのステッピング誤差等により、ウエハ上のショット領域(チップパターン)自体が規則正しい配列からずれたような場合には、アライメント系による検出信号には何等の異常も見いだすことができないため、跳びデータを検出できないという不都合がある。従って、そのように信頼度を付与する方法を使用するためには、検出信号の状態とは別の観点より、信頼度を定量化する必要がある。
【0008】
本発明は斯かる点に鑑み、ウエハ上の複数のウエハマーク(位置合わせ用マーク)の計測された座標値を統計処理してウエハ上の複数のショット領域の配列座標を算出する際に、そのウエハマークの検出信号の状態等に依らずに、計測された座標値中の跳びデータの影響を正確に軽減できる位置合わせ方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による位置合わせ方法は、基板(W)上に設計上の配列座標に従って2次元的に配列された複数の被露光領域(ES1,ES2,…)中の所定の計測対象とする被露光領域に付設された、複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測し、この計測結果を統計処理して得られた配列座標に基づいてそれら複数の被露光領域のそれぞれを順次所定の基準位置に位置合わせする方法において、それら複数の位置合わせ用マークのうちの計測対象となる位置合わせ用マークである計測対象マークの配列座標を計測する第1工程(ステップ101,102)と、この第1工程で計測されたその計測対象マークの計測配列座標と、この計測対象マークの設計上の配列座標とを演算処理してこの計測対象マークの算出配列座標を算出し、この算出配列座標とこの計測配列座標との差分に基づいて、この計測配列座標のそれぞれの信頼度を求める第2工程(ステップ103)と、それら複数の被露光領域のそれぞれの設計上の配列座標、その第1工程で計測されたその計測対象マークの計測配列座標、及びこの計測対象マークの計測配列座標のそれぞれに対してその第2工程で求められた信頼度より、それら複数の被露光領域のそれぞれの実際の配列座標を推定する第3工程(ステップ104)と、を有し、この第3工程で推定された配列座標に基づいてそれら複数の被露光領域のそれぞれを順次その所定の基準位置に位置合わせする(ステップ105)ものである。
【0010】
この場合、その第2工程で信頼度を定量化する第1の方法は、その第1工程で計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の計測結果を除く(N−1)個の配列座標の計測結果、及び基板(W)上の設計上の配列座標を用いて、線形近似計算によってそれら(N−1)個の配列座標の実際の配列座標を推定し、このように推定された(N−1)個の配列座標のそれぞれとその第1工程で計測された対応する配列座標との差分のばらつき(標準偏差)を求め、そのばらつきが大きいときに重くなり、そのばらつきが小さいときに軽くなるような信頼度をその第i番目の配列座標の計測結果に付与するものである。
【0011】
また、その第2工程で信頼度を定量化する第2の方法は、その第1工程で計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の計測結果を除く(N−1)個の配列座標の計測結果、及び基板(W)上の設計上の配列座標を用いて、線形近似計算によってその第i番目の配列座標の実際の配列座標を推定し、このように推定された配列座標とその第1工程で計測された対応する配列座標との差分の大きさを求め、この差分が小さいときに重くなり、その差分が大きいときに軽くなるような信頼度をその第i番目の配列座標の計測結果に付与するものである。
【0012】
これらの場合において、その第1工程で計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、その第3工程では、その第2工程で求められた第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の信頼度をhi として、その計測対象とする被露光領域の基板(W)上の設計上の配列座標を所定の座標変換パラメータ(A〜F)により座標変換して得られたN個の計算上の配列座標と、その第1工程で計測された対応するN個の配列座標との差分のその信頼度hi のγ乗(γは0以上の実数)を用いた重み付き自乗和が最小になるようにその座標変換パラメータの値を定め、このように求められた座標変換パラメータとそれら複数の被露光領域の設計上の配列座標との演算により、それら複数の被露光領域のそれぞれの実際の配列座標を推定するようにしてもよい。
また、本発明による露光方法は、本発明のの位置合わせ方法を用いてその所定の基準位置に位置合わせされたその複数の被露光領域に、レチクルのパターン像を露光する工程を含むものである。
次に、本発明による位置合わせ装置は、基板(W)上に設計上の配列座標に従って2次元的に配列された複数の被露光領域(ES 1 , ES 2 , …)中の所定の計測対象とする被露光領域に付設された、複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測し、この計測結果を統計処理して得られた配列座標に基づいてその複数の被露光領域のそれぞれを順次所定の基準位置に位置合わせする装置において、その複数の位置合わせ用マークのうちの計測対象となる位置合わせ用マークである計測対象マークの配列座標を計測する手段と、その計測されたその計測対象マークの計測配列座標と、この計測対象マークの設計上の配列座標とを演算処理してこの計測対象マークの算出配列座標を算出し、この算出配列座標とこの計測配列座標との差分に基づいて、この計測配列座標のそれぞれの信頼度を求める手段と、その複数の被露光領域のそれぞれの設計上の配列座標、その計測されたその計測対象マークの計測配列座標、及びこの計測対象マークの計測配列座標のそれぞれに対してその求められた信頼度より、その複数の被露光領域のそれぞれの実際の配列座標を推定する手段と、を有し、その推定された配列座標に基づいて、その複数の被露光領域のそれぞれを順次その所定の基準位置に位置合わせするものである。
また、本発明による露光装置は、本発明の位置合わせ装置を用いてその所定の基準位置に位置合わせされたその複数の被露光領域に、レチクルのパターン像を露光するものである。
【0013】
【作用】
斯かる本発明によれば、位置合わせ用マークの位置を検出する際の検出信号の強度や左右対称性等ではなく、計測された複数の配列座標(計測配列座標)に対してそれぞれ実際の計測結果のみに基づいて信頼度が定量化される。この場合、複数の配列座標の計測値の内の大部分の計測値は通常信頼できることから、個々の計測値だけに着目することにより、検出信号の信号強度や信号の左右対称性等に頼らなくとも、各計測値の信頼度を定量化することができる。そして、信頼度に基づいて重み付けをした近似計算をすることで、完全に跳びデータである計測値については重みが極端に小さくなり、信頼できる測定点については重みが重くなり、又は信頼度が明確でないような測定点については中間の重みが付与されるため、結果として従来の単純な跳びデータ除去法に比べて格段に高精度が期待できる。
【0014】
次に、本発明の第2工程で信頼度を定量化するための上述の第1の方法に関して、仮に第i番目の配列座標の計測結果のみが跳びデータであるとする。この場合、第i番目の計測結果を除く残りの(N−1)個の計測結果を用いて、例えば線形座標近似計算を行い、求められた新座標系において、各測定点での計算上の配列座標と実際の測定結果との差分を(N−1)個求め、更にこれらの標準偏差を求める。このとき、第i番目の計測結果以外の計測結果には跳びデータがないので標準偏差は小さくなる。一方、N個の配列座標から第i番目の配列座標以外の1つの配列座標を除く残りの(N−1)個の配列座標を用いて同様の計算を行ったならば、(N−1)個の配列座標の計測結果中には跳びデータである第i番目の計測結果が含まれているため標準偏差は大きい。つまり、前述の方法により求めた標準偏差は跳びデータを除外したときに小さく、跳びデータでない計測結果を除いたときに大きくなる性質を持っている。従って、標準偏差の大小をそのまま信頼度の大小に結び付けることができる。
【0015】
一方、信頼度を定量化するための上述の第2の方法に関して、第i番目の計測結果が跳びデータである場合、その計測結果を除く残りの(N−1)個の計測結果を用いて例えば線形近似計算を行うと、この近似計算で求められた座標系における第i番目の計測点の計算上の位置と実際の計測結果との隔たりは大きい。逆に、第i番目の計測結果が跳びデータでなければ、その隔たりは小さくなる。従って、その隔たりが大きいとき第i番目の計測結果の信頼度を低く(重みを小さく)し、その隔たりが小さいときにその信頼度を高く(重みを大きく)することで、信頼度を正確に定量化できる。
【0016】
【実施例】
以下、本発明による位置合わせ方法の一実施例につき図面を参照して説明する。以下の実施例は、レチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に露光するステッパー型の投影露光装置において、ウエハの各ショット領域の位置合わせ(アライメント)を行う場合に本発明を適用したものである。
【0017】
図2は、本実施例で使用される投影露光装置のシステム構成を示し、この図2において、露光時には露光用照明光学系1からの露光光ILがレチクルRを照明し、その露光光ILのもとでレチクルRのパターンが投影光学系PLにより例えば1/5に縮小されて、フォトレジストが塗布されたウエハW上の各ショット領域に転写される。ここで、投影光学系PLの光軸に平行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面内で図2の紙面に平行にX軸を、図2の紙面に垂直にY軸を取る。このとき、レチクルRは、X方向、Y方向、及び回転方向(θ方向)にレチクルRを微動するレチクルステージ2上に保持されている。一方、ウエハWは、3次元的にウエハWの位置決めを行うウエハステージ3上に保持されている。
【0018】
図3は、図2の投影露光装置の機構部の要部を示し、この図3のウエハステージ3において、ウエハWはウエハホルダ11上に真空吸着され、ウエハホルダ11は、Z方向への移動及び所定範囲での傾斜が可能なZチルトステージ12上に固定され、Zチルトステージ12は、X方向に移動自在なXステージ13X上に載置され、Xステージ13Xは不図示のベース上でY方向に移動自在なYステージ13Y上に載置されている。Yステージ13Yは、駆動モータ14Yで送りねじ15Yを回転することによりY方向に駆動され、Xステージ13Xは、駆動モータ14Xで送りねじ15Xを回転することによりX方向に駆動される。
【0019】
Zチルトステージ12上の端部にはX軸にほぼ垂直な反射面を有する移動鏡16Xが固定され、この移動鏡16Xと外部のレーザ干渉計17XとによりZチルトステージ12のX座標が常時例えば0.01μm程度の分解能でモニタされている。また、不図示であるが、Zチルトステージ12上にY軸にほぼ垂直な反射面を有する移動鏡も固定され、この移動鏡と外部の2つのレーザ干渉計とによりZチルトステージ12のY座標、及び回転角が常時モニタされている。このようにレーザ干渉計により計測されるZチルトステージ12(ひいてはウエハW)のX座標、及びY座標よりなる座標系をステージ座標系(X,Y)と呼ぶ。
【0020】
また、ウエハステージ3の上方にウエハWのZ座標を計測するための、送光系18及び受光系19よりなるオートフォーカスセンサが配置されている。即ち、送光系18から投影光学系PLの露光フィールドの中央部のウエハW上の計測点に、投影光学系PLの光軸に対して斜めにスリット像が投影され、このスリット像からの反射光が、受光系19内で例えば振動ミラーを経て光電検出器上にスリット像を再結像する。更に、その光電検出器の検出信号を振動ミラーの駆動信号を用いて同期整流することにより焦点信号を得ている。この焦点信号は、ウエハWのZ方向の変位に対して所定範囲でほぼ線形に変化することから、その焦点信号が所定の値になるようにZチルトステージ12を駆動することにより、オートフォーカス方式でウエハWを常に投影光学系PLに対して合焦できる。
【0021】
図2に戻り、ウエハステージ3のレーザ干渉計により計測される座標(X,Y)(ステージ座標系での座標)、及びオートフォーカスセンサからの焦点信号は、装置全体を統轄制御する中央制御系4に供給され、中央制御系4は供給された座標、及び焦点信号に基づいてウエハステージ制御系6を介して、ウエハステージ3の位置決め動作を制御し、ウエハWのオートフォーカスを行う。同様に、レチクルステージ2の不図示のレーザ干渉計により計測される座標も中央制御系4に供給され、中央制御系4は供給された座標に基づいて、レチクルステージ5を介してレチクルステージ2の位置決め動作を制御する。そして、ウエハW上の最初のショット領域への露光が終了すると、ウエハステージ3のステッピング動作によりウエハW上の次のショット領域が露光位置に設定され、以下ステップ・アンド・リピート方式でウエハW上の各ショット領域への露光が行われる。
【0022】
このように露光を行う際には、ウエハW上の各ショット領域のステージ座標系(X,Y)での配列座標を求めておく必要があるが、そのためには、ウエハW上の所定個数のアライメントマーク(ウエハマーク)のステージ座標系(X,Y)での座標を計測する必要がある。そのためのアライメントセンサとして、本例ではTTL(スルー・ザ・レンズ)方式で、且つレーザ・ステップ・アライメント方式(以下、「LSA方式」と呼ぶ)のアライメントセンサを使用する。
【0023】
先ず、LSA方式の場合に使用されるウエハマークの一例につき説明する。
図4は、本例で露光対象とされるウエハWを示し、この図4において、ウエハWの表面にはX方向及びY方向に所定ピッチでm個(mは3以上の整数)のショット領域ES1,ES2,…ESm が形成され、これらの各ショット領域ESi(i=1〜m)にはそれぞれそれまでの工程により所定の回路パターンが形成されている。更に、各ショット領域ESi には形成されている回路パターンに対応して、それぞれLSA方式のX軸用のウエハマークMXi 、及びY軸用のウエハマークMYi が付設されている。
【0024】
なお、図4では、ウエハマークMXi,MYi はショット領域ESi の中心点に形成されているため、ウエハマークMXi,MYi の座標(X,Y)をそのショット領域ESi の配列座標とみなすことができる。但し、実際にはウエハマークは例えばショット領域間のストリートライン領域等に有ることもある。このような場合には、計測されたウエハマークの座標値に予め設定されているオフセット値を加算した座標値が、対応するショット領域の中心点の配列座標となる。更に、図4の例では各ショット領域ESi にそれぞれ1対の1次元のウエハマーク(又は1個の2次元のウエハマーク)が付設されているが、各ショット領域ESi にそれぞれ3個の以上の1次元のウエハマーク(又は2個以上の2次元のウエハマーク)を付設することもある。このようにウエハマークの個数を増加することにより、各ショット領域内の回路パターンのスケーリング(線形伸縮)や回路パターンの回転角等をも検出することができる。
【0025】
図5は、ウエハマークMXi,MYi を拡大して示し、この図5において、X軸用のウエハマークMXi は、Y方向に所定ピッチで微小な正方形のパターンを配列してなる格子状パターンであり、Y軸用のウエハマークMYi は、X方向に所定ピッチで微小な正方形のパターンを配列してなる格子状パターンである。
次に、本例のLSA方式のアライメントセンサは、図2に示すように、アライメント光学系7、ミラー8、及びアライメント信号処理系9より構成されている。なお、アライメント光学系7はY軸用の光学系であり、別にX軸用の光学系も設けられている。
【0026】
例えば図5に示すショット領域ESi 中のY軸用のウエハマークMYi の位置検出を行う場合、図3において、アライメント光学系7からウエハW上のフォトレジストに対する感光性の弱い波長域のレーザビームBaが射出され、このレーザビームBaは、レチクルステージ2と投影光学系PLとの間に配置されるミラー8により反射されて投影光学系PLに入射し、投影光学系PLを経たレーザビームBaがウエハW上でX方向に長いスリット状の照射領域20Yに集光される。この状態で、図5に示すように、ウエハステージを駆動することにより、照射領域20Yに対してY方向にウエハマークMYi が走査される。そして、照射領域20YとウエハマークMYi とがY方向(計測方向)で重なると、ウエハマークMYi から回折光が発生する。
【0027】
図6は、そのウエハマークMYi から発生する回折光を示し、この図6において、ウエハに対してほぼ垂直に入射するレーザビームBaに対して、平行に0次回折光が戻され、ウエハマークのピッチ方向に対して所定の回折角で±1次回折光、±2次回折光、±3次回折光等が射出されている。それらの回折光は、図2において、投影光学系PL、及びミラー8を介してアライメント光学系7に戻る。このアライメント光学系7中には、特定次数の回折光、即ち、±1次〜±3次の回折光のみを選択する空間フィルタと、選択された回折光を受光する光電検出器とが配置されている。そして、その光電検出器で回折光を光電変換して得られた検出信号SYがアライメント信号処理系9に供給される。アライメント信号処理系9には、ウエハステージ3側のレーザ干渉計により計測される座標値も供給されており、アライメント信号処理系9では、供給された検出信号SYをアナログ/デジタル(A/D)変換し、順次そのときのウエハステージのY座標と対応させて内部のメモリに記憶する。
【0028】
図7は、レーザビームに対してY軸用のウエハマークをY方向に走査した場合に、Y座標に対応してアライメント信号処理系9内のメモリに記憶される検出信号SYの一例を示し、この図7において、レーザ干渉計により計測されるウエハステージのY座標が一定量変化する毎に検出信号SYがA/D変換されてメモリに記憶されている。図7では、Y方向の所定の位置におけるレーザビームBaの照射領域20Yと格子状のウエハマークMYi との位置関係も同時に示されている。
【0029】
この場合、左側ではまだ照射領域20YとウエハマークMYi とは重なっていないため、0次回折光のみしか発生せず、検出信号SYのレベルはほぼ0(ノイズレベル)である。そして、ウエハステージが移動するのに伴って、照射領域20YとウエハマークMYi とが徐々に重なって来ると、検出信号SYの強度が増し、その後照射領域20Yの中心をウエハマークMYi が通り過ぎると、今度は徐々に検出信号SYの強度が減少する。そのウエハマークMYi の座標を検出する際には、アライメント信号処理系9は例えばその検出信号SXを適当なレベルでスライスして2つの交点のY座標を求め、それらの中間座標をそのウエハマークのY座標とする。
【0030】
同様に不図示のX軸用のアライメント光学系からのレーザビームは、例えば図5において、X軸用のウエハマークMXi の近傍でY方向に長いスリット状の照射領域20Xに集光される。そして、ウエハステージを駆動して照射領域20Xに対してウエハマークMXi をX方向に走査することにより、そのアライメント光学系から図7と同様の検出信号が出力され、この検出信号をアライメント信号処理系9で処理することにより、ウエハマークMXi のX座標が求められる。このように検出された座標値の所定の設計上の配列座標からのずれ量が、それぞれアライメントデータとして図2の中央制御系4に供給される。中央制御系4では後述のように、供給された各ウエハマークのアライメントデータに基づいて従来のEGA(エンハンスト・グローバル・アライメント)方式に所定の信頼度を導入した新たな方式でアライメントを行う。
【0031】
次に、図1のフローチャートを参照して本実施例のアライメント及び露光動作の一例につき説明する。
先ず、図1のステップ101及び102において、図4のウエハW上のn個(nは3以上の整数)の計測点(アライメント計測点)の位置を示すウエハマークのステージ座標系(X,Y)での座標を計測する。それらn個のアライメント計測点の選択方法として本例では、予めウエハW上のm個のショット領域ES1 〜ESM 内でn個のショット領域(サンプルショット)を定めておき、これらn個のサンプルショット内の中心点をアライメント計測点とする。この場合、そのアライメント計測点のX座標を示すウエハマークMXj(jは1〜mの何れか)、及びY座標を示すウエハマークMYj が計測対象となる。
【0032】
なお、必ずしも、各アライメント計測点のX座標及びY座標を共に計測する必要はなく、例えば或るアライメント計測点ではX軸用のウエハマーク(X座標)のみを計測し、別のアライメント計測点ではY軸用のウエハマーク(Y座標)のみを計測するようにしてもよい。但し、後述のように本例ではk個(kは例えば6)の変換パターンの値を定める必要があるため、全体で少なくともk個の1次元のウエハマークの位置を計測する必要がある。また、既に述べたように各ショット領域内に2対以上の1次元のウエハマーク(又は2個以上の2次元のウエハマーク)が付設されているときにも、各サンプルショット内で計測するウエハマークの個数は少なくとも1個であればよい。
【0033】
ここで本例では、n個のアライメント計測点の座標を示す1対のウエハマークの設計上の配列座標を(x1 ,y1 ),(x2 ,y2 ),…,(xi ,yi ),…,(xn ,yn )とする。この設計上の配列座標(xi ,yi)(i=1〜n)は、例えばウエハWのプリアライメント時に求められる試料座標系からステージ座標系への変換パラメータを用いて、ウエハW上に規定されている試料座標系での設計上の配列座標の初期値をステージ座標系上の配列座標に変換したものである。
【0034】
そのため、i番目のアライメント計測点のウエハマークの座標を計測する際には、図2のウエハステージ3を駆動することにより、その設計上の配列座標(xi ,yi)で定まる点が図5に示すレーザビームの照射領域20X又は20Yを横切るように走査が行われる。そして、図2のアライメント信号処理系9ではアライメント光学系から供給される検出信号より1対のウエハマークの配列座標を求めた後、この配列座標の設計上の配列座標(xi ,yi)からのずれ量(αi ,αi)を求め、このずれ量をアライメントデータとして中央制御系4に供給する。従って、中央制御系4にはn個のアライメント計測点に対応するアライメントデータ(α1 ,β1 ),(α2 ,β2 ),…,(αi ,βi ),…,(αn ,βn )が供給される。
【0035】
言い換えると、これらアライメントデータと上記の設計上の配列座標とを加算して得られる座標(x1 +α1 ,y1 +β1 ),(x2 +α2 ,y2 +β2 ),…,(xi +αi ,yi +βi ),…,(xn +αn ,yn +βn )が、各ウエハマークのステージ座標系で実際に計測された配列座標である。しかし、これらアライメントデータにはアライメントセンサの検出誤差や、ウエハマークの崩れ等に起因する計測誤差が含まれているため、図1のステップ103に移行して中央制御系4は、各アライメントデータの信頼度を定量化する。
【0036】
このため、先ずアライメントデータから実際に各ウエハマークが存在していると推定される計算上の配列座標(以下、「存在座標」と呼ぶ)(X1 ,Y1 ),(X2 ,Y2 ),…,(Xi ,Yi ),…,(Xn ,Yn )を近似計算によって求める。これに関して、ウエハWはウエハステージ3上に正しく載せられているとは限らず、X,Y方向の平行シフト(Ox ,Oy )や、XY平面内のX軸の回転θ、Y軸の回転φ、またウエハ自身の伸縮(sx ,sy )等により前記設計上の配列座標と存在座標との間には以下の関係式が成り立っているものと仮定する。
【0037】
【数1】
【0038】
(数1)において、cos θ,cos φを共に1、sin θ,sin φをそれぞれθ,φに近似し、更にsx ,sy ,θ,φの2次の項を0とみなすと、次の(数2)が得られる。
【0039】
【数2】
【0040】
一方、ウエハマークの座標計測時に一切の誤差が含まれていないものとしたときのアライメントデータ、いわば理想測定値を(αM1,βM1),(αM2,βM2),…,(αMi,βMi),…,(αMn,βMn)とすれば、設計上の配列座標(xi ,yi )と存在座標(Xi ,Yi )との間には次の(数3)の関係が成り立つ。
【0041】
【数3】
【0042】
(数2)と(数3)とより、設計上の配列座標(xi ,yi )と理想測定値(αMi,βMi)との関係は次の(数4)によって表される。
【0043】
【数4】
【0044】
簡単のために右辺の2行×2列の行列の各要素を6個の変換パラメータA,B,C,D,E,Fで置き換えることにより、次の(数5)を得る。
【0045】
【数5】
【0046】
この場合、A=sx 、B=−φ、C=θ、D=sy 、E=Ox ,F=Oy が成立している。これら6個の変換パラメータA〜Fの値を求めるために、各アライメントデータの信頼度を定量化する。このために、先ずn個のアライメントデータのうち1番目のアライメントデータを除いた残りの(n−1)個のデータに基づいて最小二乗近似計算により6つの変換パラメータA〜Fの値を求める。具体的に、n個のアライメントデータ(αi ,βi )の内、i=1以外のものについて、上述の理想測定値(αMi,βMi)とアライメントデータ(αi ,βi )との差を2乗し、(n−1)個の2乗値の和を取ったものを(εx1,εy1)とする。即ち、ベクトル表示では次のようになる。
【0047】
【数6】
【0048】
この(数6)を6つの変換パラメータA,B,C,D,E,Fの各々で偏微分して0と置いた6つの連立方程式から、以下のように6つの変換パラメータの値A1,B1,C1,D1,E1,F1 が求められる。
【0049】
【数7】
【0050】
【数8】
【0051】
次に、1番目のアライメントデータ(α1 ,β1 )の信頼度を定量化する。即ち、(数7)、及び(数8)で求められた6つの変換パラメータの値A1 〜F1 をそれぞれ(数5)の変換パラメータA〜Fに代入して得られる配列座標と、実際に計測されたアライメントデータとの差を2乗して得られる値を、添字iの値が2〜nの範囲で加算して得られる和(hx1,hy1)を1番目のアライメントデータ(α1 ,β1 )の信頼度とする。従って、信頼度(hx1,hy1)は次のように表される。
【0052】
【数9】
【0053】
続いて、2番目のアライメントデータを除いた残りの(n−1)個のデータを用いて、上述の工程と同様の計算を行うことにより、6つの変換パラメータA〜Fの値A2,B2,C2,D2,E2,F2 を求める。そして、これらの値A2 〜F2 を用いて、上述の工程と同様の計算を行うことにより、2番目のアライメントデータ(α2 ,β2 )の信頼度(hx2,hy2)を求める。
【0054】
以下同様に3番目以降のアライメントデータについてもそれぞれ信頼度を求めることによって、全てのアライメントデータ(α1 ,β1 )〜(αn ,βn )のそれぞれに対して信頼度(hx1,hy1)〜(hxn,hyn)が決定される。
次に、ステップ104において、ステップ103で定量化されたアライメントデータの信頼度に基づいて、ウエハW上の各ショット領域ESj(j=1〜M)の配列座標を計算する際に用いるための変換パラメータA〜Fの値を算出する。そのため、全てのn個のアライメントデータ(αi ,βi)(i=1〜n)について、それぞれ理想測定値(αMi,βMi)とアライメントデータ(αi ,βi )との差を2乗した値に、ステップ103で求めた信頼度(hxi,hyi)を乗じて得られる値を、添字iの値が1〜nの範囲で加算して得られる和を残留誤差成分(εx ,εy)とする。これは、信頼度(hxi,hyi)をi番目のアライメントデータに対する重みとして、次のように重み付きの残留誤差成分(εx ,εy)を求めることを意味する。
【0055】
【数10】
【0056】
その後、この残留誤差成分を6つの変換パラメータA,B,C,D,E,Fの各々で偏微分して0と置いた6つの連立方程式から、以下のように6つの変換パラメータの値A〜Fが求められる。
【0057】
【数11】
【0058】
【数12】
【0059】
この結果、i番目のアライメント測定点の設計上の配列座標(xi ,yi )と、実際にウエハマークが存在していると推定される座標(存在座標)(Xi ,Yi )とが、(数11)、及び(数12)より得られる6つのパラメータA〜Fを用いて次の(数13)の関係にあることが分かる。
【0060】
【数13】
【0061】
次に、ステップ105及び106を図4のウエハW上の各ショット領域ESj(j=1〜m)について実行することにより、露光を行う。この際に、各ショット領域ESj の中心点の設計上の配列座標を(xexpj,yexpj)として、この設計上の配列座標(xexpj,yexpj)を(数13)に代入することにより、計算上の配列座標(存在座標)(Xexpj,Yexpj)を求める。そして、図2においてウエハステージ3を駆動して、ステージ座標系上でその計算上の配列座標(Xexpj,Yexpj)の位置を、予め求められているレチクルRのパターンの投影像の中心の位置に合わせた後、そのショット領域ESj にレチクルRのパターン像を露光する。
【0062】
上述のように本例では、アライメントセンサにより得られる検出信号の状態ではなく、実際に計測して得られるアライメントデータに基づいて各アライメントデータの信頼度が定量化されている。従って、ウエハWの表面が局所的に歪んでいるような要因によりアライメントデータが跳びデータとなったような場合にも、その跳びデータの信頼度は低くなるため、正確にアライメントが行われる。
また、本実施例では信頼度は(数9)によって表されるが、例えば1番目のアライメントデータが跳びデータである場合、1番目のアライメントデータを除く(n−1)個のアライメントデータが完全に線形誤差を含むのみならば(数9)の右辺は0になる。つまり、1番目のアライメントデータの信頼度は0である。一方、他の(n−1)個のアライメントデータのどれを除いた場合でも、1番目のアライメントデータが影響し、信頼度は有限の値をとる。従って、1番目のアライメントデータの信頼度が0、それ以外のアライメントデータの信頼度がある有限値となるため、1番目のアライメントデータの影響を受けずに変換パラメータを求めることができる。
【0063】
次に、各アライメントデータに対する信頼度の定量化方法の第2の例につき説明する。
この第2の例では、上述の例と同様に先ず1番目のアライメントデータ(α1 ,β1)について(数7)及び(数8)より、6つの変換パラメータA〜Fの値A1,B1,C1,D1,E1,F1 を求める。その後、設計上の配列座標(x1 ,y1)と、それら6個の変換パラメータの値A1 〜F1 とを(数5)に代入して得られる座標と、アライメントデータ(α1 ,β1 )との差(δx1,δy1)を次のように計算する。
【0064】
【数14】
【0065】
そして、この差(δx1,δy1)から1番目のアライメントデータに対する信頼度(hx1,hy1)を次のように求める。即ち、この例ではその差(δx1,δy1)の絶対値に所定のオフセット(ここでは1)を加算して得られる値の逆数が信頼度となる。
【0066】
【数15】
【0067】
同様に、2番目〜n番目のアライメントデータに対してもそれぞれ信頼度(hx2,hy2)〜(hxn,hyn)を求める。
この第2の例では、例えば1番目のアライメントデータが跳びデータである場合、(数14)の絶対値は大きな値をとる。逆にそのアライメントデータが跳びデータでなければ(数14)の絶対値は小さな値をとる。従って、ほぼその絶対値の逆数を信頼度とみなすことができる。(数15)で1を加えてから逆数を取っているのは、単に逆数を取ると(数14)の値が0になり得るため、逆数を取ったときに信頼度を有限の値にするためのものである。
【0068】
次に、各アライメントデータに対する信頼度の定量化方法の第3の例につき説明する。
この第3の例では、図1の例と同様に先ず各アライメントデータ(αi ,βi)について(数9)と同様の式より信頼度(hxi,hyi)を求める。その後、(数10)の代わりに次の(数16)で重み付きの残留誤差成分(εx ,εy)を求める。
【0069】
【数16】
【0070】
この(数16)において、γは0以上の実数である。即ち、この例では信頼度(hxi,hyi)のγ乗を各アライメントデータ(αi ,βi)に対する重みとすることを意味する。以下、その(数16)より変換パラメータA〜Fの値が求められ、図1と同様にアライメント及び露光が行われる。
この第3の例では、(数16)に示すように信頼度をγ乗した値を各アライメントデータに対する重みとしている。この場合、γ=1とすると、上述の第1の例、及び第2の例に等しくなるのは言うまでもなが、γの値を適当に設定することで信頼度の効きを制御できる。つまり、γ<1では信頼度の効きを低減でき、γ>1では信頼度の効きを誇張する方向に制御できる。また、γ=0では従来の信頼度を用いないEGA方式のアライメント方法と全く同じになる。
【0071】
なお、上述実施例では、アライメントセンサとして、LSA方式のアライメントセンサが使用されているが、それ以外にウエハマークを撮像して画像処理により位置検出を行う撮像方式(FIA方式)のアライメントセンサ、又は回折格子状のウエハマークに可干渉な2光束を照射して発生する2つの回折光の干渉光の位相より位置検出を行う2光束干渉方式(LIA方式)のアライメントセンサ等も使用できる。また、アライメント光学系は、TTL方式のみならず、オフ・アクシス方式やTTR(スルー・ザ・レチクル)方式等でもよい。
【0072】
このように本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【0073】
【発明の効果】
本発明によれば、計測された配列座標に基づいて各計測値の信頼度を求めているため、位置合わせ用マーク(ウエハマーク)の検出信号の状態等に依らずに、計測された座標値中の跳びデータの影響を正確に軽減できる利点がある。即ち、アライメント時の検出信号の強度や信号波形と計測された配列座標(アライメントデータ)との信頼度に相関がないアライメントセンサを使用する場合においても、信頼度を正確に定量化できる。
【0074】
また、信頼度を定量化する第1の方法によれば、例えば1番目の計測値が跳びデータであり、1番目の計測値を除く(n−1)個の計測値が線形誤差のみを含むならば、得られるばらつきは0になる。つまり、1番目の計測値の信頼度は0である。一方、他の(n−1)点のどれを除いた場合でも1番目の計測値が影響し、信頼度は有限の値をとる。従って、正確に信頼度が定量化できる。
【0075】
また、信頼度を定量化する第2の方法によれば、例えば1番目の計測値が跳びデータであると、得られる差分は大きな値となりその逆数は小さな値をとる。従って、信頼度を正確に定量化できる。
また、信頼度のγ乗を重みとした場合には、γの値を適当に操作することで信頼度の効きを制御できる。つまり、γ<1では信頼度の効きを低減でき、γ>1では信頼度の効きを誇張できる。また、γ=0では従来の信頼度を用いないアライメント方法と全く同じになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による位置合わせ方法の一実施例を示すフローチャートである。
【図2】実施例で使用される投影露光装置の全体の構成を示すブロック図である。
【図3】実施例で使用される投影露光装置の機構部の要部を示す構成図である。
【図4】ウエハ上のショット領域の配列の一例を示す平面図である。
【図5】ウエハ上の1つのショット領域及びそれに付設されたウエハマークを示す拡大平面図である。
【図6】LSA方式のアライメントセンサの検出原理の説明図である。
【図7】LSA方式のアライメントセンサから出力される検出信号を示す図である。
【符号の説明】
R レチクル
2 レチクルステージ
PL 投影光学系
W ウエハ
3 ウエハステージ
4 中央制御系
7 アライメント光学系
9 アライメント信号処理系
12 Zチルトステージ
13X Xステージ
13Y Yステージ
Claims (14)
- 基板上に設計上の配列座標に従って2次元的に配列された複数の被露光領域中の所定の計測対象とする被露光領域に付設された、複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測し、該計測結果を統計処理して得られた配列座標に基づいて前記複数の被露光領域のそれぞれを順次所定の基準位置に位置合わせする方法において、
前記複数の位置合わせ用マークのうちの計測対象となる位置合わせ用マークである計測対象マークの配列座標を計測する第1工程と、
該第1工程で計測された前記計測対象マークの計測配列座標と、該計測対象マークの設計上の配列座標とを演算処理して該計測対象マークの算出配列座標を算出し、該算出配列座標と該計測配列座標との差分に基づいて、該計測配列座標のそれぞれの信頼度を求める第2工程と、
前記複数の被露光領域のそれぞれの設計上の配列座標、前記第1工程で計測された前記計測対象マークの計測配列座標、及び該計測対象マークの計測配列座標のそれぞれに対して前記第2工程で求められた信頼度より、前記複数の被露光領域のそれぞれの実際の配列座標を推定する第3工程と、を有し、
該第3工程で推定された配列座標に基づいて前記複数の被露光領域のそれぞれを順次前記所定の基準位置に位置合わせすることを特徴とする位置合わせ方法。 - 請求項1記載の位置合わせ方法であって、
前記第2工程では、前記第1工程で計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、
第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の計測結果を除く(N−1)個の配列座標の計測結果、及び前記基板上の設計上の配列座標を用いて、線形近似計算によって前記(N−1)個の配列座標の実際の配列座標を推定し、
該推定された(N−1)個の配列座標のそれぞれと前記第1工程で計測された対応する配列座標との差分のばらつきを求め、
該ばらつきに応じた信頼度を前記第i番目の配列座標の計測結果に付与することを特徴とする位置合わせ方法。 - 請求項1記載の位置合わせ方法であって、
前記第2工程では、前記第1工程で計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、
第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の計測結果を除く(N−1)個の配列座標の計測結果、及び前記基板上の設計上の配列座標を用いて、線形近似計算によって前記第i番目の配列座標の実際の配列座標を推定し、
該推定された配列座標と前記第1工程で計測された対応する配列座標との差分の大きさを求め、
該大きさにほぼ逆比例する信頼度を前記第i番目の配列座標の計測結果に付与することを特徴とする位置合わせ方法。 - 請求項1、2、又は3記載の位置合わせ方法であって、
前記第1工程で計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、前記第3工程では、
前記第2工程で求められた第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の信頼度をhi として、前記計測対象とする被露光領域の前記基板上の設計上の配列座標を所定の座標変換パラメータにより座標変換して得られたN個の計算上の配列座標と、前記第1工程で計測された対応するN個の配列座標との差分の前記信頼度hi のγ乗(γは0以上の実数)を用いた重み付き自乗和が最小になるように前記座標変換パラメータの値を定め、
該求められた座標変換パラメータと前記複数の被露光領域の設計上の配列座標との演算により、前記複数の被露光領域のそれぞれの実際の配列座標を推定することを特徴とする位置合わせ方法。 - 請求項1記載の位置合わせ方法であって、
前記第2工程では、前記第1工程で計測されたデータの個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、
前記計測対象とする被露光領域の前記基板上における設計上の配列座標を、計算上の配列座標に変換する変換パラメータを、第i番目(iは1からNまでの整数)のデータをそれぞれ除いた残りの(N−1)個のデータそれぞれに基づいて、最小二乗近似計算によって、前記複数の(N−1)個のデータのそれぞれに対して算出し、
前記複数の(N−1)個のデータのそれぞれに対して算出された前記変換パラメータを用いながら、前記信頼度を求めることを特徴とする位置合わせ方法。 - 前記第1工程では、
レーザビームの照射領域に対して前記位置合わせ用マークを走査する際に前記マークから発生する回折光を検出することにより位置検出を行う方式、前記位置合わせ用マークを撮像して画像処理により位置検出を行う方式、又は前記位置合わせ用マークに光束を照射して発生する2つの回折光を検出することにより位置検出を行う方式を用いて、前記複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の位置合わせ方法。 - 前記第1工程では、TTL方式、TTR方式、又はオフ・アクシス方式のアライメントセンサを用いて、前記複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測することを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の位置合わせ方法。
- 請求項1〜7の何れか一項に記載の位置合わせ方法を用いて前記所定の基準位置に位置合わせされた前記複数の被露光領域に、レチクルのパターン像を露光する工程を含むことを特徴とする露光方法。
- 基板上に設計上の配列座標に従って2次元的に配列された複数の被露光領域中の所定の計測対象とする被露光領域に付設された、複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測し、該計測結果を統計処理して得られた配列座標に基づいて前記複数の被露光領域のそれぞれを順次所定の基準位置に位置合わせする装置において、
前記複数の位置合わせ用マークのうちの計測対象となる位置合わせ用マークである計測対象マークの配列座標を計測する手段と、
前記計測された前記計測対象マークの計測配列座標と、該計測対象マークの設計上の配列座標とを演算処理して該計測対象マークの算出配列座標を算出し、該算出配列座標と該計測配列座標との差分に基づいて、該計測配列座標のそれぞれの信頼度を求める手段と、
前記複数の被露光領域のそれぞれの設計上の配列座標、前記計測された前記計測対象マークの計測配列座標、及び該計測対象マークの計測配列座標のそれぞれに対して前記求められた信頼度より、前記複数の被露光領域のそれぞれの実際の配列座標を推定する手段と、を有し、
前記推定された配列座標に基づいて、前記複数の被露光領域のそれぞれを順次前記所定の基準位置に位置合わせすることを特徴とする位置合わせ装置。 - 請求項9記載の位置合わせ装置であって、
前記信頼度を求める手段は、前記計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、
第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の計測結果を除く(N−1)個の配列座標の計測結果、及び前記基板上の設計上の配列座標を用いて、線形近似計算によって前記(N−1)個の配列座標の実際の配列座標を推定し、
該推定された(N−1)個の配列座標のそれぞれと前記計測された対応する配列座標との差分のばらつきを求め、
該ばらつきに応じた信頼度を前記第i番目の配列座標の計測結果に付与することを特徴とする位置合わせ装置。 - 請求項9記載の位置合わせ装置であって、
前記信頼度を求める手段は、前記計測された配列座標の個数をN個(Nは3以上の整数)としたとき、
第i番目(iは1からNまでの整数)の配列座標の計測結果を除く(N−1)個の配列座標の計測結果、及び前記基板上の設計上の配列座標を用いて、線形近似計算によって前記第i番目の配列座標の実際の配列座標を推定し、
該推定された配列座標と前記計測された対応する配列座標との差分の大きさを求め、
該大きさにほぼ逆比例する信頼度を前記第i番目の配列座標の計測結果に付与することを特徴とする位置合わせ装置。 - 前記複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測する手段は、
レーザビームの照射領域に対して前記位置合わせ用マークを走査する際に前記マークから発生する回折光を検出することにより位置検出を行う方式、前記位置合わせ用マークを撮像して画像処理により位置検出を行う方式、又は前記位置合わせ用マークに光束を照射して発生する2つの回折光を検出することにより位置検出を行う方式を用いて、前記複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測することを特徴とする請求項9〜11の何れか一項に記載の位置合わせ装置。 - 前記複数の位置合わせ用マークの配列座標を計測する手段は、TTL方式、TTR方式、又はオフ・アクシス方式のアライメントセンサを含むことを特徴とする請求項9〜12の何れか一項に記載の位置合わせ装置。
- 請求項9〜13の何れか一項に記載の位置合わせ装置を用いて前記所定の基準位置に位置合わせされた前記複数の被露光領域に、レチクルのパターン像を露光することを特徴とする露光装置。
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