JP3999775B2 - 自己参照の動的ステップおよび走査フィールド内レンズ歪みのための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は光学的測定法、特に半導体製造に使用する投影結像システムのフィールド内歪みを識別およびモニタリングに関するものである。

今日のリソグラフ工程では、装置の性能要件を満たすために層間のオーバーレイ許容差をますます小さくする必要がある。オーバーレイ位置合わせは、シリコンウェーハ上の半導体装置の縦方向加工プロセスにおける層間に存在する要素の並進誤差と定義される。オーバーレイ位置合わせは、位置合わせ誤差、パターン配置誤差、オーバーレイ誤差などと呼ばれることもある。重要な層でのオーバーレイ位置合わせは、装置の性能、歩留、繰返し精度などに直接影響を及ぼすことがある。装置の密度増加、装置の要素サイズの縮小、さらに全体的に大きくなった装置サイズにより、パターンオーバーレイは、半導体製造工程中における最も重要な課題の一つとなっている。修正可能または修正不可能なパターン配置誤差を正確に判断する能力は、基本的な技術および、レンズ歪み、ステージ誤差、レチクル誤差の計算に使用されるアルゴリズムによって違ってくる。

一般的なミクロ電子工学の装置または回路は、２０〜３０のレベルあるいはパターンレイヤからなる。特定のレベル上へのパターン要素の配置は、最小要素サイズあるいは臨界次元（ＣＤ）の何分の一という精度内で、他のレベル上の対応要素の配置と一致、つまり重複しなければならない。オーバーレイ誤差は、これに限られるわけではないが、一般的にいくつかの技術を用いて、オーバーレイツールという適切な名前で呼ばれる測定ツールで測定する（例えば、非特許文献１参照。）。オーバーレイ測定ツールあるいはオーバーレイツールという用語は、互いの距離が５００μｍ（ミクロン）離れた２つのパターン要素あるいはアライメント属性の相対的な位置を判断する性能を備えたあらゆるツールを意味する。オーバーレイ誤差と歩留に対するその影響の重要性については、他の文献でも報告されている（非特許文献２と非特許文献３参照。）。

リソグラフは、オーバーレイ誤差を、繰返し可能な（システム）効果と繰返し不可能な（変量）効果に定量化および分割する統計的コンピュータアルゴリズム（Klass IIやMonolithなど）を作り出した（非特許文献４、非特許文献５、上記非特許文献１と非特許文献６参照。）。オーバーレイモデリングの理論の全般的な論評は上記非特許文献１に記載されている。

オーバーレイ誤差は、一般的に次の２つの主なカテゴリーに分けられる。最初のカテゴリー、フィールド間誤差あるいはグリッドオーバーレイ誤差は、ステッパやスキャナなどの露光ツールを用いてシリコンウェーハ上のフォトレジストに記録された、結像フィールドの並進および回転（または偏揺）の実際の位置に関係している。並進はウェーハの公称中心点から基準を取ることに対し、偏揺はそれぞれのフィールドの公称中心点に対して基準を取る。図１９を参照のこと。シリコンウェーハ上の装置パターンのアライメントは、ステッパやスキャナのウェーハステージ、レチクルステージ、およびそれらの相互作用による精度で違ってくる。

２つ目のカテゴリー、フィールド内オーバーレイ誤差は、図２０に示したように、個々の露光フィールドの公称中心点を基準に取るフィールドの中の個々の点の位置的オフセットである。「公称中心点」という用語は、機器がプログラムしたステッピング位置のことである。一般的にフィールド内オーバーレイ誤差は、レンズ収差や歪み、走査の不規則性、およびレチクルアライメントに関連する。レンズ歪みを計算する現代のオーバーレイアルゴリズムでは、ステージ誤差やレンズ歪み誤差の大きさについて、ある程度の推定を行うのが通例である。一般的な原則は、「オーバーレイターゲットを製作するとき、ほんのわずかのステージ誤差しか起らず、これは統計的に説明できるという簡潔な仮定を設定することにより、ステップの精度を信頼する」というものである（非特許文献７と非特許文献８参照。）。フィールド内歪みの測定に使用する場合、この技術はステージ測定によるレンズ歪み測定法と呼ばれる。

この考察では、ほとんどのオーバーレイ測定は、各フォトリソグラフィ工程の後の最終的なエッチングの前に、シリコン製品ウェーハ上で行われることを念頭に入れておくことが重要である。製品ウェーハには、レジストターゲットパターンがその下にあるターゲットパターンと位置が正しく合うまでエッチングを施すことができない（非特許文献９参照。）。製造施設は、ステッパあるいはスキャナツールのアライメントが正確にできるよう、露光ツールのアライメントとカリブレーションに依存するところが大きい（非特許文献１０、非特許文献１１と上記非特許文献８参照。）。不正確なオーバーレイモデリングアルゴリズムは、露光ツールのカリブレーション手順を狂わせ、露光ツールシステムのアライメント精度を低下させる（上記非特許文献９参照。）。

過去３０年以上にわたり、マイクロ電子工学業界は、フォトリソグラフィによる結像システムの絶え間ない改善により、臨界次元を急激に縮小させてきた。今日、このようなフォトリソグラフィシステムは、その性能限界にまで達している。半導体装置の臨界次元が５０nmに近づくにつれ、オーバーレイ誤差要件は間もなく原子寸法に近づく（非特許文献１２参照。）。次世代装置の仕様のニーズを満たすには、新たなオーバーレイ法を開発しなければならない。特に、システム効果と変量効果を正確に分離し、推定できる原因を追求することができるオーバーレイ法があれば、装置の工程歩留を大幅に向上させることができる（上記非特許文献３参照。）。

特に、高度な工程制御または自動化制御ループに取り入れることのできる新しいオーバーレイ法が最も重要である（非特許文献１３と非特許文献１４参照。）。最後に、レンズ歪み誤差の定量化が重要な関心事であるもう一つの領域に、電子ビーム製造工程中におけるフォトマスクまたはレチクルの製造がある（非特許文献１５参照。）。

半導体製造施設は一般的に以下のような複雑なオーバーレイ手順の一種を使用し、フォトリソグラフィのステッパとスキャナの両方で、システムオーバーレイ誤差の他の原因とは無関係なフィールド内歪みの大きさを判断することに役立てている。この技術を簡略化して図示した（非特許文献１６参照。）。図３および図４は、オーバーレイターゲットの一般的な組み合わせを示したもので、１つの大型（外部）ボックスと１つの小型（内部）ターゲットボックスが含まれている。図１は、従来の技術で使用された歪みテストレチクルの一般的な一部を示したものである。ほとんどのレチクル上のクロームターゲットパターンは、結像面で生じるパターンと比較して４〜５倍大きいことに留意されたい。これは単に、現代のステッパと走査システム（スキャナ）が縮小システムであるという意味である。さらに、論考の目的上、レチクルパターンは幾何学的に完全であるものと仮定する（実際には、レチクル上の要素の絶対位置を測り、そこで生じた誤差を差し引く）。まず、フォトレジストで覆われたウェーハをウェーハステージに置き、全体的に位置を合わせる。次に、図２ａのレチクルのフィールド全体の画像を、図２５のレジストでコーティングを施したウェーハ上に露光する。説明のために、歪みテストレチクルは、レチクル表面全体にわたってＭ*Ｐの距離を取って一様に並べた外部ボックスの５ｘ５アレイからなると仮定する。（図２ａを参照）。一般的に、光学システムの中心は事実上収差がないと考えられている（上記非特許文献１６参照。）。この仮定では、図２ａのレチクルが、レチクルブレード（図１８参照）を用いて、図２ａのボックスＡのようにレチクルフィールドの中心に単一のターゲットのみが露光されるよう部分的に覆われるようにする。次に、レチクルパターンの中心が印刷した５ｘ５の外部ボックスアレイの左角上のウェーハ位置１に直接並ぶように、ウェーハステージを動かす（図２５の位置１）。さらに、ステッパは、小型ターゲットボックスの画像を、レジストでコーティングを施したウェーハ上に露光する。ウェーハステージ、光学システム、走査動力学が真に完全であれば、小型ターゲットボックスの画像は、図５、図６、図２５に示したように、以前の露光による大型ターゲットボックスの画像の中に完璧に収まることになる。

この時点では、ステッパとウェーハステージは、各露光がステッピング距離Ｐで分けられた５ｘ５アレイの小型ターゲットボックスをステップおよび露光するようプログラムされている。完全なステージであると仮定して、小型ターゲットボックスの最終的な座標は、プログラムされたステッピング距離Ｐがグリッドの間隔と等しい完璧なグリッドを形成すると考えられる。最後に、最初のフィールド全体の露光が真に完全な画像を形成すれば、図６に示したように、小型ターゲットボックスの５ｘ５アレイ全体は、大型ターゲットボックスの５ｘ５アレイ内に完全に収まることになる。最初のフィールド全体の露光は実際には不完全な結像システムやスキャナシステムが原因で歪んでいるため、大型ターゲットボックスの実際の位置は、例えば図６に示したように、小型ターゲットボックスに対してずれている。次に、ウェーハは写真処理の最後のいくつかのステップを通り、最終的なレジストパターンが付いたオーバーレイターゲットが製作される。各フィールド位置におけるフィールド内オーバーレイ誤差は、標準の光学的オーバーレイツールで測定できる。以下に記載のモデル（式１および式２）を用い、オーバーレイデータの分析、レンズ歪み誤差の計算を行う。

以下のフィールド間およびフィールド内モデリング方程式は、最小二乗回帰法を用いてオーバーレイデータを一致させることに一般的に使用されるものである（上記非特許文献１６と上記非特許文献９参照。）。
dxf(xf,yf) = Tx + s*xf q*yf + t1*xf² + t2*xf*yf E*(xf³ + xf*yf²) (式1)
dyf(xf,yf) = Ty + s*yf + q*xf + t2*yf² + t1*xf*yf E*(yf³ + yf*xf²) (式2)
式中
(xf,yf)=フィールド内座標
(dxf, dyf)(xf, yf)=(xf, yf)の位置におけるフィールド内歪み
(Tx, Ty)=(x,y) フィールド内並進
s=フィールド内全体の尺度または倍率
q=フィールド内回転
(t1, t2)=フィールド内台形誤差
E=フィールド内レンズ歪み

この技術には問題が２つある。まず１つ目は、ウェーハステージ誤差が非常に小さく、ランダムに分散し、統計的モデルで完全に説明できると考えるのが一般的なことである（上記非特許文献１６、上記非特許文献７、非特許文献１７と上記非特許文献８参照。）。概して、ウェーハステージの位置の不確実性がシステム誤差とランダム誤差の両方をもたらすが、フィールド内はリソグラフィツールのウェーハステージに関してのみ測定できるため、装置ごとのウェーハステージの相違が不正確なレンズ歪みマップとして現れる。２つ目は、レンズの中心ではレンズ歪みがゼロであるという仮定は正しいと考えることである。さらに、式１と式２で表したモデルは、概してスキャナスケールオーバーレイ誤差のモデリングにはまったく不適切であり（一般的にフィールド内歪みは、スキャナスキューとスキャナスケールオーバーレイ誤差だけの原因となる）、レチクルステージとウェーハステージ間の同期誤差は以下に記載されるさらに複雑な誤差を生み出すことになる。

ステージと「アーチファクト」自己カリブレーションの技術については、非特許文献１８と非特許文献１９に記載されている。これは、プレート（アーチファクト）をステージ上にある測定可能なターゲットの長方形アレイと共に配置し、ツールステージおよびツールの画像収集システムまたはアライメントシステムを用いてターゲットの絶対位置を測ることからなる。この測定工程は、アーチファクトをステージ上に再挿入して繰り返されるが、ターゲット１個分の間隔でＸ方向に移動し、次に、ステージ上でアーチファクトが挿入されたままターゲット１個分の間隔でＹ方向へ再び繰り返される。最後に、アーチファクトは、その最初の方向および測定したターゲット位置に対して９０度の角度で挿入さ、ターゲット位置が測定される。測定されたツール測定値は、ツールの公称座標システムにおいて一組の (x, y) 絶対位置となる。次に、アーチファクト、およびステージx, yグリッド誤差の繰返し可能ならびに繰返し不可能な部分の混合上の両方のターゲットの絶対位置を、全体的並進 (Txg, Tyg)、回転 (qg)、全体的スケール ((sxg+syg)/2) の要因内で判断する。この技術の欠点は、この技術で評価される同一の装置上でその測定を行わなければならないという点である。さらに、この技術は、絶対座標上でツールを測定することが必要である。つまり、測定ツールは、印刷されたターゲットの公称中心に対して、そのターゲットの絶対位置を測ることになるため、結像フィールド全体にわたる絶対測定値が必要となる（一般的なサイズは約１００mm²より大きい）。

フィールド内歪みを判断するもう一つの技術は、A.H. Smithらの特許文献１の方法で、生産環境におけるオーバーレイ測定ツールと併用できる自己参照技術である。スキャナの大きな非繰返し性が存在するときのフィールド内スキャナ歪み診断では、この技術は、ウェーハ上に下位ＥＯ露光を生じながら多数回スキャンされた、光伝送を減じた特殊なレチクルの使用法を教えている。この技術は、スキャナフィールド内歪みの繰返し可能部分を正確に判断するために使用できるが、走査ごとに変化するフィールド内歪みの部分には使えない（スキャナＹ倍率はこの一例である）。

フィールド内誤差を判断するためのこれらの技術のもう一つの欠点は、測定ツールとしてスキャナ自体を使用することである。スキャナの価格が１０００万ドル以上することから、フィールド内歪みを判断するための測定ツールとしてスキャナ自体を使用せず、比較的安価なオーバーレイ測定ツールを使用するフィールド内誤差のための技術が望ましい。さらに、技術は実行が簡単で、製造環境において日常の操作担当者が使用できるものが望ましい。また、スキャナフィールド内歪みの非繰返し可能部分の間で区別できるものがさらに望ましい。

フィールド内歪みの問題の解釈を検討しているこれ以外の参考文献としては、非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献２２および非特許文献２３と、特許文献２および特許文献３などがある。

エヌ・サリバン（N. Sullivan）著"Semiconductor Pattern Overlay", SPIE Critical Reviews Vol. CR52, 160:188. アール・マーチン、エックス・チェン、アイ・ゴールドバーガー（R. Martin, X. Chen, I. Goldberger）著"Measuring Fab Overlay Programs", SPIE Conference on Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XIII, 64:71, March, 1999 エム・プレイル、ジェー・マコーマック（M. Preil, J. McCormack）著"New Approach to Correlating Overlay and Yield", SPIE Conference on Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XIII, 208:216, March 1999 エム・ファン・デン・ブリンク（M. van den Brink）等著"Matching of Multiple Wafer Steppers for 0.35 Micron Lithography Using Advanced Optimization Schemes", SPIE Vol. 1926, 188:207, 1993 イー・マクファーデン、シー・アウシュニット（E. McFadden, C. Ausschnitt）著"A Computer Aided Engineering Workstation for Registration Control", SPIE Vol. 1087, 255:266, 1989 ティー・ザベッツ（T. Zavecz）著"Machine Models and Registration", SPIE Critical Reviews Vol. CR52, 134:159 ケー・ケンプ（K. Kenp）等著"A "Golden Standard" Wafer Design for Optical Stepper Characterization", SPIE Vol. 1464, 260:266, 1991 エム・ファン・デン・ブリンク（M. Van den Brink）等著"Matching Performance for Multiple Wafer Steppers Using an Advanced Metrology Procedure", SPIE Vol. 921, 180:197, 1988 ジェー・ペレグリニ（J. Pellegrini）著"Super Sparse Overlay Sampling Plans: An Evaluation of Methods and Algorithms for Optimizing Overlay Quality Control and Metrology Tool Throughput", SPIE Vol. 3677, 72:82 ティー・ドゥーリ（T. Dooly）等著"Stepper Matching for Optimum Line Performance", SPIE Vol. 3051, 426:432, 1997 アール・デジュール（R. DeJule）著"Mix-and-Match: A Necessary Choice", Semiconductor International, 66:76, Feb, 2000 ティー・ザベッツ（T. Zavecz）著"Life Beyond Mix-and-Match: Controlling Sub-0.18 micron Overlay Errors", Semiconductor International, July, 2000 ジェー・ペレグリニ（J. Pellegrini）著"Comparisons of Six Different Intra-field Control Paradigms in an Advanced Mix and Match Environment", SPIE Vol. 3050, 398:406, 1997 エフ・グッドウィン（F. Goodwin）等著"Characterizing Overlay Registration of Concentric 5X and 1X Stepper Exposure Fields Using Inter-Field Data", SPIE Vol. 3050, 407:417, 1997 ピー・ライ・チョードハリー（P. Rai- Choudhury）著"Handbook of Microlithography and Microfabrication, Vol. 1, pg. 417, 1997 ディー・マクミレン（D. MacMillen）等著"Analysis of Image Field Placement Deviations of a 5x Microlithographic Reduction Lens", SPIE Vol. 334, 78:89, 1982 エム・ファン・デン・ブリンク（M. Van den Brink）等著"Matching Management of Multiple Wafer Steppers Using a Stable Standard and a Matching Simulator", SPIE Vol. 1087, 218:232, 1989 エム・タカック（M. Takac）等著"Self-Calibration in Two-Dimensions: The Experiment", SPIE Vol. 2725, 130:146, 1996 エム・ラウフ（M. Raugh）著"Error Estimation for Lattice Methods of Stage Self-Calibration", SPIE Vol. 3050, 614:625, 1997 エム・ファン・デン・ブリンク（M. Van den Brink）等著"New 0.54 Aperture I-Line Wafer Stepper with Field by Field Leveling Combined with Global Alignment", SPIE Vol. 1463, 709:724, 1991 ティー・ブルナー（T. Brunner）著"Impact of Lens Aberrations on Optical Lithography" エー・ヨスト（A. Yost）等著"Lens Matching and Distortion Testing in a Multi-Stepper, Sub-Micron Environment"、SPIE Vol. 1087, 233:244, 1989 ビー・リン（B. Lin）著"The Attenuated Phase Shift Mas" 米国特許第６５７３９８６号明細書 米国特許第４８６１１４８号明細書 米国特許第５７５７５０７号明細書

故に、スキャナフィールド内歪みまたは投影システムの並進誤差を判断する効果的で効率的な手段が求められている。

本発明は、スキャナフィールド内歪みまたは並進誤差を、投影結像対象または投影システム収差のみに依存するレンズ要素、およびウェーハとレチクルの走査動作の相対性力学のみに依存する走査要素に分解する方法および装置である。レンズ要素は繰返し可能で、クロス走査座標ｘのみに依存する。走査要素は、走査の各列（固定したｙ座標）では定数であるが、走査長さ上では列ごとに変化する（異なるｙ値）。この走査要素は、繰返し可能部分と非繰返し可能部分の両方を含んでいる。

このフィールド内歪みの構造により、レンズ要素（ここでは動的レンズ歪みとも呼んでいる）を抽出することができる。オーバーレイグループのMx X Myセットからなるオーバーレイレチクルは、２列で露光される。次に、ウェーハは、１つのオーバーレイグループ分移動し、レチクルは一列のみを露光するように覆われ、こうして露光された列はＸ剪断を形成する。次に、ウェーハを１８０度回転し、レチクルは一列まで覆われ、残りの列が露光される。こうして露光された列はＲ剪断を形成する。次に、ＸおよびＲ剪断列をオーバーレイツールで測定し、その結果を動的レンズ歪みを計算するソフトウェアプログラムに送信する。本発明の方法の最終的な結果は、走査方向に対して垂直ないくつかの不連続点における動的レンズ歪みからなるファイルである。

上に概要を示した手順以外にも、従来の光学モデリングソフトウェアを使用する改善されたリソグラフィシミュレーション、適正な性能となるよう投影レンズを自動的に調整するフィードバックループ形式の高度な工程制御、最後に、レンズ収差を補正するレチクル修正アルゴリズムなどにも応用できる。ソフトウェアアルゴリズムと技術は、自己参照法を形成する。

本発明のその他の特徴と利点は、本発明の原理を例を示しながら説明する以下の実施例で明白なはずである。

（概要）
オーバーレイ誤差は、位置合わせ誤差またはパターン配置誤差、あるいは単に誤差と呼ばれることがよくある。オーバーレイ誤差は一般的に、グリッドあるいはフィールド間誤差、およびフィールド内誤差という２つのカテゴリーに分類あるいは分割される。フィールド内誤差は、リソグラフィ投影システムの投影フィールド（または単にフィールド）内での配置におけるオーバーレイ誤差である。フィールド間誤差は、ウェーハ上のフィールドとフィールドの間でのオーバーレイ誤差である。フィールド内誤差の例は図２０に、フィールド間誤差の例は図１９に示している。フォトリソグラフィスキャナでは、これらの誤差の物理的原因は一般的に明確である。フィールド内誤差は、静的投影レンズ収差および／または走査動力学によるものであるが、これに対してフィールド間誤差はウェーハアライメントシステム、ウェーハステージ、およびレチクルステージが原因である。以下に記載した解釈は、フォトリソグラフィスキャナに関連してレンズまたは結像対物光学によって生じるフィールド内誤差の判断である。

従来の光学測定ツールを用いてオーバーレイ誤差を測定するには、フォトリソグラフィ結像システム（図１８参照）を用いて、適切に設計された記録媒体上に特殊なアライメント属性あるいはオーバーレイターゲットパターン（図７−１２および図１４ａ参照）を印刷または結像することができる。図１５は、ボックスインボックス、フレームインフレーム、セグメント化したフレームインフレーム、複数にセグメント化したフレームインフレームなどの、オーバーレイターゲットパターンの例を示したものである。図１８は、オーバーレイターゲットパターンを記録媒体に結像するために使用できる一般的なフォトリソグラフィ結像システムのブロック図である。この記録媒体には、ポジ型またはネガ型のフォトレジスト、光学的に活性化した液晶、ＣＣＤまたはダイオード結像アレイ、写真フィルムなどがある。場合によっては、オーバーレイ誤差は、特殊な現場露光ツール法を用いて測定することもできる。前述の非特許文献１７を参照されたい。

公称位置またはプログラムされた位置からのアライメント属性の位置的重複のずれは、オーバーレイ誤差の定量化に使用した測定基準である。図６は、アライメント属性の位置の例を示したものである。図６に見られるように、属性のアライメントの例には、中心への配置、誤差なし、正の移動、および横断オーバーレイ誤差がある。上述したように、アライメント属性には、ボックスインボックス、フレームインフレーム、グレーティング、バーニア、電気テスト構造など、様々なタイプがある。ティー・ハサン（T. Hasan）等著"Automated Electrical Measurements of Registration Errors in Step and Repeat Optical Lithography Systems", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-27, No. 12, 2304:2312, December 1980（先行文献Ａ）、米国特許第６１４３６２１号明細書（先行文献Ｂ）や米国特許第６０７９２５６号明細書（先行文献Ｃ）を参照されたい。

ここで技術を説明したフォトリソグラフィ走査ツールで使用できる技術としては、Deep-UV、E-beamシステム、EUV、およびX線結像システムなどがある。前述の非特許文献１１、ジェー・ビヨルクホルム（J. Bjorkholm）等著"Reduction Imaging at 14nm Using Multiplayer-Coated Optics: Printing of Features Smaller than 0.1 Micron", Journal Vacuum Science and Technology, B 8(6), 1509:1513, Nov/Dec 1990（先行文献Ｄ）、ビー・ニューナム（B. Newnam）等著"Development of XUV Projection Lithography at 60-80 nm", SPIE Vol. 1671, 419:436, 1992（先行文献Ｅ）やジェー・ブルーニング（J. Bruning）著"Optical Lithography Thirty years and Three Orders of Magnitude", SPIE Vol. 3051, 14:27, 1997（先行文献Ｆ）を参照されたい。ベクトル移動プロットは、各種の回帰ルーチンを用いて要素に数学的に分離される、オーバーレイ誤差の方向、大きさ、位置を視覚的に提示することができる。図３２〜図３４は、ベクトル移動プロットの一例を示す概略図である。オーバーレイ誤差を数学的に要素へと分離するこれ以外の例も文献に見られる。ジェー・アーミテージ（J. Armitage）等著"Analysis of Overlay Distortion Patterns", SPIE Vol. 921, 207:221, 1988（先行文献Ｇ）を参照されたい。

上述したように、フィールド内歪みの測定に使用する他の技術は、測定機能の評価を受ける投影リソグラフィツールを使用する。本発明に従う技術の一つ解釈は、フィールド内歪みを判断するために必要な測定を、私たちが評価している投影リソグラフィツールとはかなり異なるオーバーレイ方法で行うことができる、また、そのような方法が望ましいということである。さらに、その他の技術は、絶対座標を用いてツールでの測定を必要とする。これらの技術では、測定ツールは、印刷されたターゲットの絶対位置を、それ自体の公称中心に対して測るため、結像フィールド全体（一般的なサイズは約１００mm²以上）について絶対測定値が必要になる。本発明に従う技術の一つの解釈は、ボックスインボックス構造、または各要素が互いに測定されるその他のアライメント属性や、これらのアライメント属性間の距離が一般的に約０．５mm以下のものなど、要素の相対座標あるいは相対移動を使用することである。例えば、ボックスインボックス構造の場合、これらの距離は一般的に約０．０２mm以下である。広い面積で絶対位置を維持する必要性がなくなれば大きな利点となる。例えば、Leica LMS 2000、Leica IPRO (Leica LMS IPROパンフレット、Leicaを参照)、またはNikon 5I (K. 児玉等著"Measuring system XY-5i", SPIE Vol. 2439, 144:155, 1995（先行文献Ｈ）を参照)などの絶対測定ツールの価格は一般的に２００万ドル以上であり、半導体製造施設では稀である。これに対して、KLA 5200やBio-rad Q7などのオーバーレイ測定ツールの価格は一般的に５０万ドル程度であり、半導体製造施設で広く利用されている。絶対位置技術を使用することのもう一つの欠点は、フィールド内歪みが露光ごとに繰返し可能でなければならず、これはスキャナ動力学では除外されてしまう点である。

スキャナフィールド内歪みまたは並進誤差の構造は、投影結像対象または投影システム対象または投影システム収差のみに依存するレンズ要素（図３１参照）、およびウェーハとレチクルの走査動作の相対性力学のみに依存する走査要素に分解することができる（図３２〜３４参照）。レンズ要素は繰返し可能であるが、走査要素は繰返し可能部分と非繰返し可能部分の両方を含んでいる。さらに、レンズと走査要素は、フィールド内誤差の抽出を簡素化する特定の機能形態を持っている。一般的なフォトリソグラフィステップおよび走査またはスキャナシステムは、互いに反対方向に移動するレチクルとウェーハステージとしての投影光学素子のごく一部を通して露光放射を連続的に通すことにより、フォトレジスト表面にレチクルパターンの画像（一般的に４倍または５倍に縮小）を形成する。図１８は、一般的なフォトリソグラフィステップおよび走査またはスキャナシステムのブロック図である。図１８に示したように、走査レチクルステージ１８０４と走査ウェーハステージ１８０６は、２つの異なる速度で協調しながら反対方向に移動する。

図１aおよび図１bは、走査中、フォトレジストでコーティングされたシリコンウェーハ上に現れる可能性のある部分的に露光されたスキャナフィールド（および座標システム）の瞬間的な（上から見下ろした）図を示したものである。スキャナが位置（ys）にあるとき、レンズ歪みがない状態でウェーハステージとレチクルステージの間の一致が欠落していることは、レンズスリットの画像内にある並進オフセット誤差 ― フィールド内位置x,yのウェーハ上での瞬間並進オフセットとして定義されるΔT・(x,y,ys) ― を示している (図１a参照)。次に、フォトレジストに実際に結像したいずれの点における最終的な歪み誤差またはオーバーレイ誤差 (ΔF・(x,y) は、瞬間誤差 (ΔT・(x,y,ys) の平均であり、投影レンズの歪み効果が無視された式４に表したように、スキャナスリットの輝度関数によって重み付けられる。スキャナが同期誤差や振動誤差なく完全に動作した場合、フォトレジストの各フィールドポイントにおける最終的な歪みまたは並進誤差ΔsL(x) は、単に、式5のスキャナスリットの輝度関数によって重み付けられた静的投影レンズ歪みΔd(x) の平均になる。

従って、横断走査誤差あるいは走査歪みには２つの個別の原因がある。走査フィールド全体で大きさと方向（ｘ方向または走査方向に対して垂直の方向）が違う投影レンズ歪み誤差と、ウェーハステージおよびレチクルステージの瞬間（繰返し可能および非繰返し可能）位置オフセットの平均を表す同期誤差の２つである。これらの誤差は、式３〜式１３に詳しく記載した。

レチクルとウェーハが互いに剛体として協調して移動するため、協調が欠如すると瞬間オフセット誤差 (ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys) が現れる。この(ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys) は、完璧に配置されたウェーハに対するウェーハに投影された画像の瞬間並進オフセット誤差である。この誤差は、走査スリットの中心に対するウェーハのフィールド内座標（x,y）ばかりでなく、瞬間位置の関数でもある。図１ａはスロット中心に対するスキャナフィールド全体とフィールド中心の関係を示したもので、この関連位置はysである。ステージとレチクルの横断誤差では、瞬間オフセットベクトル (ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys) は、瞬間横断オフセット誤差 (ΔX(ys), ΔY(ys)) および瞬間偏揺または回転誤差 θs(ys) のみに以下のように依存する：
(ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys) = (ΔX(ys)+θs(ys)*(y-ys) , ΔY(ys)-θs(ys)*x) 式3)
瞬間オフセットベクトルに対するもう一つの寄与は、投影レンズの静的歪みの寄与から発生する。従って、(ΔXsl,ΔYsl)・(x,y) が静的レンズ歪みである場合、瞬間オフセットベクトル (ΔTx,ΔTy) に対する寄与は以下のようになる：
(ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys) = (ΔXsl,ΔYsl)・(x,y-ys) 式3a）

レンズ歪みは、走査画像フィールドを作り出すためにウェーハステージとレチクルステージが互いに移動しないときに判断した、スキャナのフィールド内歪みである。従って、静的レンズは、レチクルステージとウェーハステージの相対的移動によって、同期あるいは動的偏揺からのいかなる寄与も含むことはない。図１aを参照すると、(ΔXsl,ΔYsl)・(x,y) はスロット幅 (SW) 101とスロット高さ (SH) 102のみに対して定義される。故に、x, yはそのレンジによって変化する。
x = (-SW/2:SW/2) y = (-SH/2:SH/2) (式3b)

(ΔXsl,ΔYsl) を決定するには、様々な技術がある。非常に正確な技術は前述の特許文献１（米国特許第６５７３９８６号明細書）に記載されている。しかしながら、静的レンズ歪みを測定するためのこの技術やその他の技術は、以下に説明する技術では不要である。

式3と式3aを組み合わせると、瞬間オフセット誤差に対する以下のような合計となる：
(ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys)=
(ΔXsl,ΔYsl)・(x,y-ys) + (ΔX(ys)+θs(ys)*(y-ys) , ΔY(ys)-θs(ys)*x) 式3c)
ここで、x,yは、以下のフィールド内座標のスパン全体にわたって変化する；
x = (-SW/2:SW/2) y = (-L/2:L/2) 式3d)

これに対してysは、以下のレンジにわたって変化する：
ys=(y-SH/2:y+SH/2) 式3e)
これは投影画像が、スロット（正確には照射された部分）がフィールド位置 (x,y) 上にある場合のみ移動で問題が起るからである。

投影画像の効果は、瞬間オフセット (ΔTx,ΔTy) のスロット上の加重平均となる：
(ΔXF,ΔYF)・(x,y) =
INT{dys * w(y-ys)* (ΔTx,ΔTy)・(x,y,ys) } / INT{dys*w(y-ys)} 式3f)
式中、
x,y=フィールド内座標、x=(-SW/2:SW/2)、y=(-L/2:L/2)
ys=ダイの公称中心から基準を取った特定の瞬間での走査スリットの中心位置
SW=スロット幅
L=スキャナフィールド長さ
dys=スキャナフィールドの微分量
INT{}=スキャナフィールド上の積分、積分レンジはys=( (L+SH)/2 : (L+SH)/2) ) から延長
w(y)=重み関数。248nmのレジストでは、一般的にスロット輝度プロファイル走査スリットに比例する。スリット開口部の外の地点では0である。
(ΔXF,ΔYF)・(x,y)=フィールド内歪み。走査同期誤差およびレンズ収差の効果も含む。

(ΔTx,ΔTy) (走査動力学 (式3) およびレンズ歪み (式3a)) という2つの明確な部分は加法的であり、従ってフィールド内歪み (ΔXF, ΔYF) も以下のような同様の部分に分けることができる：
(ΔXF,ΔYF)・(x,y)=(ΔxL,ΔyL)・(x) + (ΔXS(y),ΔYS(y) - x *dΔYS(y)/dx) 式3g)
式中、レンズ収差寄与 (ΔxL, ΔyL)・(x) は以下の式で求める：
(ΔxL,ΔyL)・(x) =
INT{dys * w(y-ys)* (ΔXsl,ΔYsl)・(x,y-ys) } / INT{dys*w(y-ys)} 式3h)
また、走査動力学寄与 (ΔXS(y),ΔYS(y) - x *dΔYS(y)/dx) は以下の式で求める：
(ΔXS(y),ΔYS(y) - x *dΔYS(y)/dx) = INT{dys * w(y-ys)
* (ΔX(ys)+θs(ys)*(y-ys) , ΔY(ys)-θs(ys)*x)} / INT{dys*w(y-ys)} 式3i)

式中の別々の要素を識別。3hおよび3iで、オーバーレイ誤差の様々な要素の個別の式を求めることができる。従って、同期誤差によるxおよびy方向における動的スリップは以下の式によって求める：
ΔXS(y)=x方向の動的スリップ=INT{dys*w(ys)*ΔX(y-ys)} / INT{dys*w(ys)} 式3j)
ΔYS(y)=y方向の動的スリップ=INT{dys*w(ys)*ΔY(y-ys)} / INT{dys*w(ys)} 式3k)
同期誤差による動的偏揺または回転誤差は以下の式によって求める：
dΔYS(y)/dx = dynamic yaw = INT{dys*w(ys)*θs(ys))} / INT{dys*w(ys)} 式3l)

フィールド内誤差 (ΔxL, ΔyL) における動的レンズ歪みの影響は以下の式によって求める：
ΔxL(y)=x方向の動的レンズ歪み=INT{dys*w(ys)*ΔXsl (y-ys)} / INT{dys*w(ys)} 式3m)
ΔyL(y)=y方向の動的レンズ歪み=INT{dys*w(ys)*ΔYsl (y-ys)} / INT{dys*w(ys)} 式3n)

フィールド内歪み（ΔXF, ΔYF）の構造の解釈は、式3g)を参照して説明できる。式3gでは、フィールド内歪みは横断走査座標x上のみに依存し、さらに走査方向yに沿う位置とは無関係の動的レンズ歪み（ΔxL, ΔyL）によって寄与に分けられる。3mおよび3nの式から、動的レンズ歪みは、静的レンズ歪みの加重平均である。この加重平均 w(y) は、走査方向yにおける輝度分散に依存し、またフォトレジスト工程や走査方向に依存する可能性もある。動的レンズ歪みには、走査同期誤差の影響がなく、高度に繰返し可能な効果だけを有するため、動的レンズ歪みは走査ごとに異ならない。従って、フィールド内歪みに対する動的レンズ歪みの寄与は、図31に示したように、単一の走査列に沿った任意のベクトル移動セットであるが、走査におけるすべての列で同一となることがある。

式3gにおけるフィールド内歪みへのその他の寄与は、動的スリップと走査方向yに沿った位置のみに依存する偏揺誤差ΔXS（y）, ΔYS（y）, dΔYS（y）/dx であり、横断走査座標xとは無関係である。式3j、式3k、式3lから、動的スリップと偏揺は、瞬間並進および偏揺オフセットを伴う重み因子w(y) の畳込みであることが分かる。動的スリップと偏揺は、スキャナ同期誤差の効果の他には何もないため、走査ごとに変化しない繰返し可能部分と走査ごとに変化する非繰返し可能部分の両方を含むことになる。図32、図33、図34を参照すると、走査の各列には異なる並進と回転誤差があり、これらは一般的に異なるもので、距離（ＳＨ、スロット高さにほぼ等しい）においてのみ強い相互関連がある。

従って、レンズ歪みとスキャナ同期誤差の両方が存在する場合、オーバーレイ歪み誤差の合計［δX(x,y),δY(x,y)］は、以下の形で表すことができる；
δX(x,y) = ΔXS(y) + ΔxL(x) , 式12)
δY(x,y) = ΔYS(y) + ΔyL(x) - x *dΔYS(y)/dx 式13)

例えば、KrFや248nmリソグラフィで使用されるような酸触媒フォトレジストでは、潜在的な酸画像が大きな照射線量になるまで飽和しないため、重み関数は一般的にスロット全体にわたる光 I(y) の輝度に直接比例する。しかしながら、一般的なI系フォトレジストでは、潜在的な画像は、通常の照射線量で飽和する。これは、フォトレジストの特定の場所において、最初に作用する露光が、同量での露光で後に作用するものよりも、光活性素材の大きな部分を消費することを意味する。従って、w(y) はもはやI(y) に対して比例しない。この飽和効果により、重み関数は、使用するフォトレジスト露光量ばかりでなく、走査方向 (正yあるいは負y) にも依存していることになる。

スキャナ同期誤差が存在する中での並進、回転、xスケール因子内でのレンズ歪みと関連するオーバーレイ誤差を判断する方法を、一実施例の概要から始め、その操作の数学的詳細で説明する（図16参照）。まず、図2bに示したように、アライメント属性を含むオーバーレイグループの（Mx x My）アレイがあるレチクル（4XOLレチクルとも呼ばれる)をフォトリソグラフィスキャナに装填して位置合わせを行う。次に、例えば化学増幅型レジスト（ＣＡＲ）など、フォトレジストコーティングを施したウェーハを機器に装填し、走査アライメントシステムで位置合わせを行う。機器の動作を制御するコンピュータは、3回の固有の露光シーケンスを行うようプログラムされている。スキャナにはフルサイズのレチクルを装填するが、任意の特定時間にレチクルの一部のみが露光されるようレチクルブレードを調整することにより、図18に示したように、実際の露光フィールドのサイズは様々にできる。以下の計算で説明するように、走査された最初の露光フィールドの実際のサイズ、またはウェーハに実際に印刷されるアライメントグループの数が、レンズ歪み計算の全体的な精度を決定する。図30は、アライメント属性の少なくとも2列（図27）（Mx x 2アレイ）からなる、本実施例の１回目の露光のための最小のサンプルプランを示す領域を表したものである。図27は、Mx x 2アレイの詳細を示している。

１回目の露光に続いてウェーハをx方向に移動または剪断し(-p"-dp)、さらにレチクルの2回目の露光 (X剪断露光) を行う。図2b、図21、図22、図24、図25、図28、図29は、ウェーハに対する１回目と２回目の露光の詳細を示したものである。"p"の一般的な値は約0.5 mmから約10 mmの範囲である。dpの一般的な値は約0.02 mmから約１ mmである。"p"の値は、レンズ歪みパターンの十分な範囲で詳細が提供できる程度に小さくなるように選ぶ。言い換えれば、レンズ歪みは、ピッチ"p"で測定されるレンズ歪みの値を補間することにより、オーバーレイグループ間における未測定の場所での歪みが適度の近似（最大歪みの約３０％以下の誤差）となるようサンプリングする必要がある。オフセットdpの値は、レンズ歪みが大きく変化しない領域内にあるように選択する。言い換えれば、図23のオーバーレイグループは、レンズ歪みの最大値の約5%以下でレンズ歪みが変化する領域であると本明細書で定義している、レンズのアイソプラナティックな歪みパッチ内にあるようにする。

2回目またはX剪断の露光中に露光したアライメント属性の列数は、一般的に１回目の露光中に露光した列数の半分である。図28は、列2におけるこの例を示している。図13は、一般的な１列X剪断露光シーケンスで生じた重複アライメント属性を示している。

最後、つまり3回目の露光シーケンス (R剪断露光) は、図26に示したように、180度回転したウェーハアライメントマークを用いるなどしてウェーハを180度回転すること、さらに、例えば図28の列１のように、残りの列を露光することからなる。これで、図28の列１および図14 aに示したように、完成したアライメント属性が出来上がる。この最終R剪断露光のアライメント属性の列数は、一般的に１回目の露光中に露光された列数の半分からなる。繰り返すことになるが、本実施例を説明するためにアライメント属性の2列を使用したが、生じた再構成物のさらなる応用によっては、ここに説明する2列からすべてのMyレチクル列までを印刷することができる。

次にウェーハを現像する。最後に、オーバーレイ測定ツールを用いて、各重複オーバーレイターゲットまたはアライメント属性の位置的オフセット誤差を判断する。次に、ソフトウェアアルゴリズムを用いて、走査動力学の作用とは無関係のレンズ歪みオーバーレイ要素を計算し、その結果は、図37に示したように、横断走査（xfn）位置の関数としてのレンズ歪みからなる表となる。

次に、歪み要素の抽出についての数学的操作を説明する。上述のように、オーバーレイ誤差は、上記で説明した方法でアライメント属性のアレイを印刷することによって、図6に示したように、公称アライメント属性の並進オフセットとなるが、走査同期誤差が存在する場合にレンズ歪みの寄与を、並進、回転、スケジュール因子の中で計算することは可能である。

上記の式12および式13は、走査同期誤差とレンズ歪みが存在する場合の（各アライメント属性に対する）全体的オーバーレイ歪み誤差が、２つのベクトル部分であることを示している：
δX(xfn,y) = ΔXS(yfn) + ΔxL(xfn) , 式13a)
δY(xfn,yfn) = ΔYS(yfn) + ΔyL(xfn) - ΔYR(xfn,yfn) 式13b)
式中 (xfn, yfn) は、各個別のアライメント属性の公称フィールド位置として（x,y）と入れ替わる（図１a参照）。また、ΔXS(yfn), ΔYS(yfn) は同期動力学と関連する積分した平均並進誤差を表し、ΔxL(xfn), ΔyL(xfn) はレンズ歪みに関連する並進誤差を表し、ΔYR(xfn,yfn) は積分した走査平均偏揺誤差 (ΔYR(xfn,yfn) = xfn*[dΔYS(yfn)/dxfn] = xfn*[θavg(yfn]) ) を表す。

次に、完了した露光および現像シーケンスに続く、2*（Mx x 2）内部および外部ボックスオーバーレイターゲットボックスの位置の式を表す。アライメント属性のフィールド指数を図24および図30に詳しく示した。レチクル上のアライメント属性の各グループは、図2bに示したように、3つのボックスインボックス構造からなり、その列（b=１;My）およびコラム（a=１;Mx）番号（グループ座標）で識別できる。アライメント属性がウェーハ上に印刷された後、以下に記載するような固有のフィールド位置で識別できる特定のグループ（図１３参照）のために、重複オーバーレイターゲットが１つだけ作成される。

１回目の露光シーケンスと関連する（Mx x 2）小型外部ボックスの位置（図28の小型ボックス2804参照）は、その公称位置（xfn,yfn）に対して、レンズ歪み、動的走査誤差、ウェーハ回転、およびウェーハ並進誤差の合計として表すことができる；
列１位置、１回目の露光 =
[T1x - θ1*yfn+ΔxL(xfn)+ΔXS(yfn)],
[T1y + θ1*xfn + ΔyL(xfn)+ΔYS(yfn) + xfn*θavg(yfn)] 式14)
列2位置、1回目の露光 =
[T1x - θ1*yfn' + ΔxL(xfn)+ΔXS(yfn')],
[T1y + θ1*xfn + ΔyL(xfn)+ΔYS(yfn') + xfn*θavg(yfn')] 式15)
式中T1xおよびT1yは未知のフィールド並進、θ1は未知のフィールド回転である。
注記：１つの否定記号「'」は、列2の走査誤差が列１のものと違うことを強調している。

2回目のX剪断露光シーケンスと関連する (Mx x 1) 大型内部ボックスの位置 (図28列2の破線ボックス2805) は、その公称位置 (xfn,yfn) に対して、上記と同様に誤差の合計として表すことができる；
列2位置、2回目またはX剪断露光 =
[T2x-θ2*yfn'+ΔxL(xfn-Δ)+ΔXS2(yfn')],
[T2y+θ2*xfn+ΔyL(xfn-Δ)+ΔYS2(yfn') + xfn*θavg2(yfn')] 式16)
式中T2xおよびT2yは未知のフィールド並進、θ2は未知の回転、Δ＝(-p") (図28参照)、および動的走査が起こした誤差項 (ΔXS2, ΔYS2, θavg2) は１回目の露光のものと明らかに異なり、これは接尾辞2で示される。

3回目のR剪断露光シーケンスに関連する (Mx x 1) 大型内部ボックス (図28列１の破線ボックス2806) の位置は、その公称位置 (xfn,yfn) に対して、前述同様、誤差の合計として表すことができる：
列１位置、3回目または180度回転した露光 =
[T3x - θ3*yfn - ΔxL(-xfn)+ΔXS3(yfn)],
[T3y + θ3*xfn - ΔyL(-xfn)+ΔYS3(yfn) + xfn*θavg3(yfn]] 式17)
式中、T3xおよびT3yは未知のフィールド並進、θ3は未知の回転、また、動的走査で起った誤差項 (ΔXS3, ΔYS3, θavg3) は1回目と2回目の露光のものと明らかに異なり、これは接尾辞3で示される。

最後に、X剪断露光で測定されたオフセットは式16および式14の差であり、また以下のようになる：
BBX(a,2,X) = [(T2x-T1x+ ΔXS2(yfn') -ΔXS(yfn')) (θ2 - θ1)
*yfn' + ΔxL(xfn-Δ) - ΔxL(xfn)] 式18)
BBY(a,2,X) = [(T2y-T1y+ΔYS2(yfn')-ΔYS(yfn')) + (θ2-θ1+θavg2(yfn')-θavg(yfn'))*xfn+ΔyL(xfn-Δ)-ΔyL(xfn)] 式19)
式中にはBBX(a,2,X) およびBBY(a,2,X) を用いて、図28の (a,b=2) または列2にある重複アライメント属性(Box-in-Box structures)、つまりボックスインボックス構造のX剪断オーバーレイ誤差を示している。

R剪断露光で測定されたオフセット (R剪断露光からの列１の大型ボックスと１回目の露光からの列１の小型ボックスの間の差) = 式17 式15または；
BBX(a,1,R) =
[(T3x-T1x+ ΔXS3(yfn) -ΔXS(yfn)) (θ3 - θ1)*yfn - ΔxL(-xfn) - ΔxL(xfn)] 式20)
BBy(a,1,R) = [(T3y-T1y+ ΔYS3(yfn) -ΔYS(yfn)) +
(θ3 - θ1 + (avg3(yfn) - θavg(yfn))*xfn - ΔyL(-xfn) - ΔyL(xfn)] 式21)
式中にはBBx(a,1,R) およびBBy(a,1,R) を用いて、(a,b =1) にある重複アライメント属性（Box-in-Box structures）、つまりボックスインボックス構造のR剪断オーバーレイ誤差を示している（図28参照）。

式18〜式21は、一般的に特異値分解を用いて解き、最小長さの解を求める。"Numerical recipes, The Art of Scientific Computing"（先行文献Ｉ）を参照されたい。これらは一般的に式の数という意味で過剰決定（未知数よりも式の方が多い）であるが、数学的な意味では単数形のままであり、これらの式の解には曖昧さがある。式18〜式21の未知数は、フィールド内歪みマップΔxL(xfn), ΔyL(xfn)、すべての走査動力学、および偏揺誤差 (ΔXS(yfn),ΔYS(yfn),θavg(yfn))) (ΔXS2(yfn'),ΔYS2(yfn'),θavg2(yfn'))) など、およびフィールド並進と回転 (T1x,T1y,θ1...T3x,T3y,θ3) である。歪みマップ(ΔxL(xfn),ΔyL(xfn)) は、並進、回転、Xスケール因子内で固有に解くことが可能であることを数学的に示すことができる。

X剪断オーバーレイ測定値のみから、レンズ歪みΔxL(xfn), ΔyL(xfn) を以下の中で判断することができる：
ΔxL(xfn) = A +B * xfn 式22)
ΔyL(xfn) = C + D*xfn + E*xfn² 式22a)
式中A、B、C、D、およびEは未知の定数である。
これは各重複アライメント属性の一次方程式を求めること、および上述した方程式の過剰決定を解くことからして論理的な結果と言える。R剪断オーバーレイ測定値を含めることにより、（また、追加のデータを含めることより）計算のノイズを排除し、さらにEを決定する。故に、X剪断およびR剪断測定値を組み合わせることにより、以下の中でレンズ歪みを決定することができる：
ΔxL(xfn) = A +B * xfn 式23)
ΔyL(xfn) = C + D*xfn 式23a)

（未知定数の解釈）
(A,C) = (x,y)、走査投影レンズによるフィールド内並進寄与。また、並進走査誤差寄与があるため、この未知の並進寄与定数を未知の走査誤差 (ΔXS(yfn),ΔYS(yfn)) に含めることができる。これは、分析の目的として無視している。さらに、ウェーハステージもこの誤差の原因となる可能性がある。

B = x フィールド内スケールまたは拡大因子。これは他の技術を用いて決定しなければならない。本発明の目的として未知数のままにする。

D = フィールド内回転。偏揺項 (ΔYR(xfn,yfn) = xfn*[dΔYS(yfn)/dx] = xfn*[θavg(yfn)] ) もxfn項を有するため、この因子を走査偏揺項に吸収させることができる。さらに、ウェーハステージもフィールド内回転誤差を起こす可能性がある。

故に、本実施例の方法を用いれば、並進、回転、Xスケール因子内で、走査同期誤差が存在する場合でのレンズ歪み要素を固有に決定することができる。そうでなければ、並進、回転、Xスケールを決定しなければならない。本実施例の工程における最後のステップを完了したら、スキャナ同期誤差が存在する場合でのフィールド内歪みの最終結果は、図37に示したように、表形式で記録することができる。

（レチクルプレート）
実施例のレチクルプレートの一部を図21に示した。マスクプレートの製造に使用するレチクルプレートのサイズ、オーバーレイターゲットパターンの形状、素材の種類について厳格な条件はない。オーバーレイターゲットパターンには様々なものがある。前述の非特許文献１５とエム・ファン・デン・ブリンク（M. Van den Brink）等著"Direct-Referencing Automatic Two-Points Reticle-to-Wafer Alignment Using a Projection Column Servo System", SPIE Vol. 633, Optical Microlithography V, 60:71, 1986（先行文献Ｊ）を参照されたい。記載した実施例は、どのような種類の光学オーバーレイターゲットを用いるあらゆるフォトリソグラフィ走査システムで利用できる。この測定技術の精度はオーバーレイサンプリング密度に依存せず、これを考慮に入れるべきである。上述の論考では、オーバーレイパターンを作成するレチクルが完全であることを前提とした。実際にはこのようには行かないが、Nikon 5IやLeica LMS 3200シリーズツールなどの絶対測定ツールを用いて、すべてのオーバーレイグループにおける個々の構造の位置を最初に測ることによって、レチクル製造における誤差を考慮することができる。次に、式18〜式21を定式化することにおいて、レチクル誤差（フォトリソグラフィ露光ツールの微小化によって分割）は、方程式の右側に明確に書き出し、次に、生じた左側のオーバーレイ測定値から差し引く（従って右側を無効にする）。その結果は、上記の式18〜式21になるが、左側に現れるオーバーレイ測定値に修正を行っている。

（他の実施例）
図21に示したレチクルに代わって、別の実施例では図35に示したように、レチクルレイアウトを使用することもできる。図35に示したように、レチクルの各セットは、一定のピッチM*p"上で交互になった内部および外部ボックスコラムのMx X Myアレイからなる。このレチクルは、先ほどの実施例で述べたレチクルと同じ方法で使用される。レチクルのその他の変形としては、図36に示したようなダブルレチクルがある。各レチクルは、一定のピッチM*p"上の内部および外部ボックスターゲットのMx x Myアレイからなる。このレチクルセットを使用するには、まず、レチクル１を露光し、そして最終的なXおよびR剪断露光にレチクル2を使用するようフォトリソグラフィスキャナをプログラムする。

レチクルは一般的に、クロームコーティングで輪郭を取った開口部を持つガラスでできている。これは半導体製造で使用される投影リソグラフィツールでは、よく普及しているものである。レチクルが形成する形状は、レチクルを装填する特定の投影リソグラフィツールが必要とする形式によって決まる。

使用するオーバーレイ測定ツールは、KLA-Tencor (LA 5105 Overlay Brochure, KLA-Tencor; KLA 5200 Overlay Brochure, KLA-Tencor参照) やBio-Rad Semiconductor Systems (Quaestor Q7 Brochure, Bio-Rad Semiconductor Systems参照) により製造されている、一般的に従来型の光学オーバーレイツールである。また、これ以外に使用できる光学オーバーレイツールには、米国特許第５４３８４１３号明細書（先行文献Ｋ）に記載されたものなどがある。さらに、ステッパやスキャナ（前述の非特許文献１７参照）によっては、そのウェーハアライメントシステムやウェーハステージを、オーバーレイツールとして機能するよう利用できる。しかしながら、アライメント属性（２つのウェーハアライメントマークからなる）の全体的なサイズは、ウェーハステージが従来型光学オーバーレイツールと同様の精度の距離に限定される。この距離は一般的に約0.5 mm以下である。

オーバーレイに電気的アライメント属性を使用する場合（前述の非特許文献１７、上記先行文献Ａと上記先行文献Ｂ参照）、使用するオーバーレイ測定ツールは、対応する測定に使用する電気機器に対応する。

上述した実施例は、半導体製造で一般的に使用されている投影結像ツール（スキャナ。ディー・コーテ（D. Cote）等著"Micrascan TM III Performance of a Third Generation, Catadioptric Step and Scan Lithographic Tool", SPIE Vol. 3051, 806:816, 1997（先行文献Ｌ）、ジェー・マルケンス（J. Mulkens）等著"ArF Step and Scan Exposure System for 0.15 Micron and 0.13 Micron Technology Node"; SPIE Conference on Optical Microlithography XII, 506:521, March 1999（先行文献Ｍ）とジェー・ブイ・シュート（J.V. Schoot）著"0.7 NA DUV Step and Scan System for 150nm Imaging with Improved Overlay, SPIE Vol. 3679, 448:463, 1999（先行文献Ｎ）参照) に応用することに関して主に記載した。この技術と方法は、平面スキャナなど、他の走査投影ツール（米国特許第５２８５２３６号明細書（先行文献Ｏ）と上記先行文献Ｆ参照）、オフィス用複写機、およびXUV (上記先行文献Ｅ参照)、SCALPEL、EUV (極紫外線) (上記先行文献Ｄ参照)、IPL (イオン投影リソグラフィ)、EPL (電子投影リソグラフィ) (前述の非特許文献１１参照) など、次世代リソグラフィシステム (ngl) にも応用できる。

本明細書では、この技術について、記録媒体をポジ型フォトレジストとして記載した。この技術は、レチクル上のボックスインボックス構造を適切に調整すれば、ネガ型フォトレジストでも同様に機能する。概して、記録媒体は、リソグラフィ投影ツール上で測定に使用される記録媒体である限り、いかなる記録媒体でもよい。例えば、EPLツール上では、PMMAなどの電子ビームフォトレジストを記録媒体として利用できる。

上記の実施例では、記録媒体が置かれた基板はウェーハであると記載した。半導体製造の場合には、これが当てはまる。記載した技術は他の形態の基板上でも利用できるが、その基板の正確な形態は、投影リソグラフィツールと特定の製造環境におけるそのツールの使用法によって決まる。例えば、フラットパネル製造施設では、フォトレジストが置かれる基板は、ガラス板またはガラスパネルである。マスク作成ツールは、基板としてレチクルを使用する。これ以外に、回路基板またはマルチチップモジュールキャリヤも基板となり得る。

本発明は、今日の半導体製造で一般的に使用されている投影結像ツール（スキャナ。上記先行文献Ｌ、上記先行文献Ｍと上記先行文献Ｎ参照）に応用することに関して主に記載した。本発明の方法は、平面スキャナなど、他の走査投影ツール（上記先行文献Ｏと上記先行文献Ｆ参照）、オフィス用複写機、およびXUV (上記先行文献Ｅ参照)、SCALPEL、EUV (極紫外線) (上記先行文献Ｄ参照)、IPL (イオン投影リソグラフィ)、EPL (電子投影リソグラフィ) (前述の非特許文献１１参照) など、次世代リソグラフィシステム (ngl) にも応用できる。

本発明は記録媒体をポジ型フォトレジストとして主に記載した。この技術は、レチクル上のオーバーレイグループを適切に調整すれば、ネガ型フォトレジストでも同様に機能する。概して、記録媒体は、測定するリソグラフィ投影ツール上に一般的に使用される記録媒体である限り、いかなる記録媒体でもよい。従って、EPLツール上では、PMMAなどの電子ビームフォトレジストを記録媒体として利用できる。

これまでのところ、記録媒体が置かれた基板はウェーハであると記載してきた。半導体製造の場合には、これが当てはまる。その基板の正確な形態は、投影リソグラフィツールと、特定の製造環境におけるそのツールの使用法によって決まる。従って、フラットパネル製造施設では、フォトレジストが置かれる基板は、ガラス板またはガラスパネルである。マスク作成ツールは、基板としてレチクルを使用する。これ以外に、回路基板またはマルチチップモジュールキャリヤも基板となり得る。

上記の説明は、本発明の特定の実施例を詳しく述べたものである。但し、当然のことながら、上述の内容がいかに詳しいものであると思われても、本発明は、その精神と基本的な特徴から逸脱することなく、他の具体的な形態に体化することができる。記載の実施例は、あらゆる点で説明のために示したにすぎず、内容を制限するものではない。故に、本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付の「特許請求の範囲」によって示される。この「特許発明の範囲」と同等の意味および範囲での変更はすべて、この範囲内に含まれるものである。

計算の目的で使用する一般的なスキャナ露光フィールドおよび座標システムの概略図である。 図１２に説明した一般的なアライメント属性の概略図である。 ステージで測定した走査とレンズ歪みの計算に使用する一般的なレチクルの概略図である。 フォトリソグラフィスキャナで使用する実施例のレチクルの概略図である。 図２Ａで説明したオーバーレイ要素を概略の形で示した図である。 図３の概略図の実際のクロームレチクルパターンを示す図である。 重複するアライメント属性の概略図である。 ベクトル表記法で示したアライメント属性座標システムとオーバーレイ誤差の定義を示す図である。 図２Ｂの外部ボックスの概略図である。 図７の概略図にあるレチクルパターンが、フォトレジストでコーティングされたウェーハ上に投影された図である。 図２Ｂの内部ボックスの概略図である。 図９の概略図にあるレチクルパターンが、フォトレジストでコーティングされたウェーハ上に投影された図である。 実施例で述べられた４ＸＯＬレチクルの一部を示した概略図である。 ４ＸＯＬレチクルアライメント属性がフォトレジストでコーティングされたウェーハ上に投影された図である。 ウェーハ上のＸ剪断オーバーレイの概略図である。 ウェーハ上の１８０度Ｒ剪断オーバーレイの概略図である。 ウェーハ上の９０度Ｒ剪断オーバーレイの概略図である。 一般的なオーバーレイターゲットまたはアライメント属性を示した図である。 スキャナのフィールド内レンズ歪みの抽出方法を示すフローダイアグラムである。 一般的なスキャナフィールド内およびフィールド間オーバーレイ誤差要素および一般的な原因を示す図である。 一般的なフォトリソグラフィステップおよび走査またはスキャナシステムを示す図である。 フィールド間オーバーレイ誤差の視覚的定義をベクトルプロットとして示す図である。 フィールド内オーバーレイ誤差の視覚的定義をベクトルプロットとして示す図である。 実施例のレチクルの一部を示す図である。 反射防止コーティングを施した図２１および図２Ｂのレチクルの断面図である。 図２１および図２Ｂに示したオーバーレイレチクル上のオーバーレイグループの詳細図である。 ウェーハ上に印刷されたときの実施例のフィールド内指数を示す図である。 従来の技術におけるレンズ歪みテストでの一般的な露光パターンを示す図である。 実施例で使用する０度および１８０度のアライメントマークをつけたウェーハを示す図である。 オーバーレイレチクル（図２１）を用いた実施例の最初の露光パターンを示す図である。 実施例の最後の２つの露光パターン（Ｘ剪断、Ｒ剪断）の詳細図である。 実施例の３回目の露光で使用したオーバーレイグループの拡大図である。 スキャナシステムに関連するレンズ歪みを判断するための最小のサンプリングプランを示す図である。 走査同期誤差がない場合のレンズ歪みまたはオーバーレイ誤差のベクトルプロットを示す図である。 レンズ収差／歪みがない場合の走査オーバーレイ誤差のベクトルプロットを示す図である。 レンズ歪みがない場合の走査横断オーバーレイ誤差のベクトルプロットを示す図である。 レンズ歪みがない場合の走査ステージ偏揺のベクトルプロットを示す図である。 望ましい方法のためのレチクルの代替セットを示す図である。 望ましい方法のためのレチクルの代替セットを示す図である。 読み出しテープ形態での本発明の最終的な結果を示す図である。

符号の説明

１８０４ 走査レチクルステージ
１８０６ 走査ウェーハステージ

Claims (20)

1. レチクルを有する投影結像ツールにおいて走査レンズ歪みを判断する方法で、その方法には以下が含まれる：
   記録媒体を有する基板上に第１位置でレチクルパターンを露光すること、そこで該レチクルパターンは、アライメント属性からなる少なくとも２つのアレイを含み、アライメント属性の該アレイは相互補間する特徴があり、該アレイは、同じピッチを有すると共に、互いにオフセットとなり、各アレイは少なくとも２行２列を有する；
   記録媒体を有する基板上に第２位置でレチクルパターンを露光すること、そこで第２位置のレチクルパターンが第１位置のレチクルパターンと重複し、走査方向に対して垂直の方向に、アレイのオフセットに対応する量だけ移動する；
   該基板を１８０度回転し、該基板上に第３位置でレチクルパターンを露光すること、そこで第３位置のレチクルパターンが第１位置のレチクルパターンと重複する；
   該基板上で重複して露光したパターンのアライメント属性の位置的オフセットを測定すること；および
   該位置的オフセット測定値から走査レンズ歪みマップを決定すること。
2. 請求項１に記載の方法で、走査レンズ歪みを決定することが、該基板と該レチクルの間の動作の相対性力学を決定することを含むもの。
3. 請求項１に記載の方法で、該基板が半導体表面であるもの。
4. 請求項１に記載の方法で、該基板がシリコンウェーハであるもの。
5. 請求項１に記載の方法で、該基板がフラットパネルディスプレイであるもの。
6. 請求項１に記載の方法で、該基板がレチクルであるもの。
7. 請求項１に記載の方法で、該基板がフォトリソグラフィマスクであるもの。
8. 請求項１に記載の方法で、該基板が電子的記録媒体であるもの。
9. 請求項１に記載の方法で、該投影結像ツールがフォトリソグラフィステッパシステムで使用されるもの。
10. 請求項１に記載の方法で、該投影結像ツールがフォトリソグラフィ走査システムで使用されるもの。
11. 請求項１に記載の方法で、該投影結像ツールが電子ビーム結像システムで使用されるもの。
12. 請求項１に記載の方法で、該投影結像ツールが極紫外線フォトリソグラフィツールで使用されるもの。
13. 請求項１に記載の方法で、該投影結像ツールがＸ線結像システムで使用されるもの。
14. 請求項１に記載の方法で、該記録媒体がポジ型レジスト素材であるもの。
15. 請求項１に記載の方法で、該記録媒体がネガ型レジスト素材であるもの。
16. 請求項１に記載の方法で、該記録媒体が電子ＣＣＤであるもの。
17. 請求項１に記載の方法で、該記録媒体が液晶素材であるもの。
18. 請求項１に記載の方法で、該記録媒体が感光素材であるもの。
19. リソグラフィ投影結像の装置で、該装置が以下のものを含むもの：
    投影レンズ；および
    記録媒体を有する基板を支持するウェーハステージで、該基板上に第１位置でレチクルパターンを露光し、そこで該レチクルパターンは、アライメント属性からなる少なくとも２つのアレイを含み、アライメント属性の該アレイは相互補間する特徴があり、該アレイは、同じピッチを有すると共に、互いにオフセットとなり、各アレイは少なくとも２行２列を有し、該基板上に第２位置でレチクルパターンを露光し、そこで第２位置のレチクルパターンが第１位置のレチクルパターンと重複し、走査方向に対して垂直の方向にアレイのオフセットに対応する量だけ移動し、該基板を１８０度回転し、該基板上に第３位置でレチクルパターンを露光し、そこで第３位置のレチクルパターンが第１位置のレチクルパターンと重複し、該基板上で重複して露光したパターンのアライメント属性の位置的オフセットを測定し、該位置的オフセット測定値から走査レンズ歪みマップを決定するもの。
20. 投影結像システムにおいて走査レンズ歪みを判断する方法で、その方法には以下が含まれる：
    記録媒体を有する基板上に任意の位置でレチクルパターンを露光すること、そこで該レチクルパターンは、アライメント属性からなる少なくとも２つのアレイを含み、アライメント属性の該アレイは相互補間する特徴があり、該アレイは、同じピッチを有すると共に、互いにオフセットとなり、そこで該レチクルパターンを第１位置で露光し、該基板は走査方向に対して垂直の方向に任意の量だけ移動し、該レチクルパターンを第２位置で露光し、該基板を１８０度回転し、さらに該レチクルパターンに３回目の露光を施す；
    露光した該レチクルパターンに含まれるアライメント属性の位置的オフセットを測定すること；および
    生じた位置的オフセットから走査レンズ歪みを判断すること。

Images