JP5036789B2

JP5036789B2 - 露光装置、位置検出方法、及びデバイス製造方法

Info

Publication number: JP5036789B2
Application number: JP2009259298A
Authority: JP
Inventors: 浩田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2010067988A

Description

本発明は、例えば、半導体製造装置においてウエハの位置合わせを行うためのアライメントマークの位置検出技術やこのアライメントマークを用いた位置合わせ技術に関する。

図１、図４、図６、図７を用いて従来の半導体製造装置でのウエハアライメントについて説明する。

ウエハWが半導体製造装置に供給されると、ウエハWの外周とオリフラまたはノッチと呼ばれるマーク（図４のN）を用いてメカニカルな位置合わせをメカニカルアライメント装置MAで行い、ウエハWのラフな位置を決定する。メカニカルな位置合わせ精度は20μm程度である。次にウエハＷは不図示のウエハ供給装置でチャックMAに載せられ、グローバルアライメントを行う。グローバルアライメントは、図４に示されるFXY1〜FXY4のマークを計測し、ウエハWのX,Y方向のずれと、回転成分、および、ショット配列の倍率成分を求めるものである。グローバルアライメントの精度は、今日の256Mbitのメモリを製造するマシンにおいては50nm以下の精度になる。

グローバルアライメント時のマークの観察は、ステージSTG上のウエハチャックCHに吸着されたウエハWをスコープSCで観察する。スコープSCは、２種類の倍率を持つ顕微鏡とセンサで構成されている。アライメント照明光源Liから照射された照明光はハーフミラーM1を介して上はW上のアライメントマークを照明する。アライメントマークの反射光はハーフミラーM1を透過して、ハーフミラーM2で分割され、一方は低倍光学系を介してセンサS1上に結像する。もう一方は高倍光学系を介してセンサS2に結像する。ウエハステージSTGは、レーザ干渉計LPで正確に位置を測定されながら、モータMSで制御装置MCの指令に従って移動する。

センサS1，S2に結像した像は光電変換され、マーク位置算出処理装置Pでマーク位置を計算する。マーク位置の計算は低倍系と高倍系の２種類のセンサ毎で行われる。低倍系センサで光電変換された電気信号はアナログ／デジタル変換器AD1でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、画像メモリMEM1に記憶され、画像処理部COM1にてパターンマッチング処理等によって、マーク位置をメモリ内でサーチする。低倍系センサは、CCDカメラなどのエリアセンサが用いられる。一方高倍系センサの電気信号はアナログ／デジタル変換器AD2でアナログ信号からデジタル信号に変換され画像メモリMEM2に記憶される。画像処理部COM2では高倍系のマーク位置を計算する。実際のマーク位置は、高倍系のセンサS2の像にて決定される。そして、画像処理部COM1で計算されたマーク位置と、制御装置MCが指定したステージ位置とからウエハWの位置を決定する。

２種類のセンサで計測が行われる理由を次に示す。図６（ａ）は高倍系の視野HFである。低倍系の視野は図６（ｂ）に示される範囲MFである。低倍系でメカニカルアライメントの結果がセンサS2の視野に入っているかを確認し、視野内であれば高倍系でのアライメント結果を採用する。もし、入っていない場合、センサS2の視野に追い込むための微小移動量dx,dyを算出する。こうすることによって、メカニカルアライメントの誤差があったとしても、精度よく、高速にグローバルアライメントを終了させている。

上記アライメントが終了すると、レチクルステージRSTG上に搭載されているレチクルMASKの回路パターンを、投影レンズLENSを介してウエハW上のレジストに露光する。露光する際、レチクル基準プレートPLによりレチクルMASK上の露光領域に合わせてマスキングブレードMVを設定する。露光照明装置ILから照射された光はマスキングブレードMB、レチクルMASK及び投影レンズLENSを介してウエハW上に露光される。

次に、図７を用いて具体的に処理フローを説明する。グローバルアライメントは最初にFXY1へ移動し(S101)、FX1,FY1の位置を測定する(S102)。測定はS10のフローとなっている。このフローでは高倍系センサS2がＸ計測高倍率センサと、Ｙ計測高倍率センサにさらに分割されている場合を示す。この場合、ラインセンサなどが使われる。もちろん、エリアセンサでX，Yマークを撮像してもよい。Xの高倍撮像(S110)、Yの高倍撮像(S111)、低倍撮像(S112)を同時に行う。但し、特に同時である必要もない。同時の方が、より高速である。FXマークの位置算出(S113)、FYマークの位置算出(S114)、低倍マーク位置算出(S115)を行い、S115の結果で高倍検出のための視野へ追い込む量dx,dyを算出し(S116)、その量が許容範囲内であるか判断する(S117)。許容範囲内であれば、S113,S114で算出した結果を採用する。範囲外であれば、dx,dyの量だけ微小移動し(S118)、Xの高倍撮像(S119)、Yの高倍撮像(S120)、FXマークの位置算出(S121)、FYマークの位置算出(S122)を行う。

FXY1の位置が計算されたら、FXY2へ移動し(S103)同じ方法でFX2,FY2のマーク位置を算出する(S104)。２つのマーク位置が正確に求められると、チャックCH上のウエハWの位置は概略求められる。その結果を反映しFXY3,FXY4の目標位置を再計算する(S105)。概略が求められると、マーク位置は高倍系の視野に入るようになり、S106,S107でFX3,FY3,FX4,FY4のマーク位置を算出し、グローバルアライメントが終了する。

特開2001−274058号

上記のように、メカニカルアライメントの誤差が20um程度であれば、低倍系と高倍系を使ったグローバルアライメントによって、高速に精度よくウエハWの位置を求めることが可能である。しかし、メカニカルアライメントはステージSTG上では行われず、外部で行われる。そのため、ウエハWをハンドなどでチャックCH上に置く際に生じる誤差が20μm以下であっても、異なる装置で作成したウエハの場合、絶対値の誤差が20μmを超える場合がある。この量をオフセットという。メカニカルアライメントの再現精度が優れていてもメカニカルアライメントの装置ごとの機械的誤差によるオフセットのばらつきが存在することがある。よって、異なる装置で前工程の露光が行われた場合、低倍系で観察した際にマークが視野から外れてしまうぐらいずれてウエハがチャックに置かれる可能性がある。そうなると、別の工程で入れられたアライメントマークが視野内に入り、アライメントマークの形状が同じ場合、誤って別工程のアライメントマークを検出してしまい、グローバルアライメントができなくなる。

また、近年の半導体製造方法も進歩し、特にCMPと呼ばれる研磨工程を施す平坦化が集積度の向上に寄与している。そのため、アライメントマーク上部の層も研磨され、マーク信号の劣化、安定性が懸念されるようになった。そのため、アライメントマークも工程に合わせて最適化する傾向があり、マークの線幅、マークの間隔、マークの凹凸といった構造を変化させ、最適なアライメントマークを残すといったことがなされるようになってきた。通常、試作段階でマークを決定するが、多品種少量生産の場合、最適化がなされないで量産に移行することもある。

さらに、近年のアライメントは、１つの領域（露光領域）でX,Y一組のアライメントマークから、複数組のアライメントマークを刻印するような傾向に変化している。その理由は、露光領域の変形補正、複数マーク計測による平均化効果による高精度化が目的である。その場合、できるだけ露光領域のスパンを広く取り精度を上げるべきで、具体的には露光領域の４隅にアライメントマークを刻印する傾向がある。

以上のように、近年のアライメントマーク刻印は、以下の傾向がある。
(１）工程数増加に伴うアライメントマークの増加
(２）アライメントマーク構造の敏感度に伴うマーク最適化のためのマーク数増加
(３）計測精度向上のためにマーク数増加
そのため、アライメントマークを刻印することが許されるスクライブラインに占めるアライメントマークの数が増え、図６（ｃ）に示されるように、アライメントスコープの視野MF内に２つ以上アライメントマークが観察されることが多くなってきた。

上記問題を解決する手段として下記の方法が従来から考えられてきた。

つまり、アライメントマークの配置間隔を視野範囲に同時に２つ以上入らないように離す。

上記のデメリットは、すでに述べたとおりアライメントマークの数が増える傾向があるため、できるだけ最適化されたマークだけを刻印することになる。しかし、最適化もロットごとに必要になる場合もあり、現実的とはいえない。むしろ、半導体製造ラインではそのようなわずらわしい作業は敬遠されている。たとえできたとしても刻印できるアライメントマークの数に制限ができてしまう。

そこで、この問題を解決するために、特許文献１で提案された方法は、アライメントマークの周囲に識別用のマークを付けたり、マークの一部を変形させるといったことを実施し、ターゲットマークを識別している。しかし、この方法ではターゲットマークがCMP工程のようなウエハ処理工程を経ることによりマークへのダメージが大きい場合、ターゲットマークの識別ができなくなってしまう点で問題がある。

しかも、マークの識別を優先させる広い視野を有する検出装置で、マークの高精度な計測を実施しようとすると計測分解能が不足することも考えられる。また、識別ができたとしても、高精度の計測に必要な高品質の信号を得ることができるとは限らない。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ショットの位置を得るために基板の各ショットごとに配列された複数の位置検出マークの中からターゲットマークを検出し、検出したターゲットマークに基づいて前記基板の位置合わせを行い、前記基板にパターンを露光する露光装置であって、前記基板を載置して、移動されるステージと、前記基板の画像を第１の倍率及び当該第１の倍率より高い第２の倍率で撮像するスコープと、前記スコープにより前記第１の倍率で撮像された画像から、前記複数の位置検出マークの中の第１のマークの位置と当該第１のマークの外側の領域の特徴とを抽出して、前記抽出された特徴に基づき前記第１のマークを識別し、前記スコープにより前記第２の倍率で撮像された画像から、前記ターゲットマークの位置を抽出して、前記抽出されたターゲットマークの位置の信頼性を評価し、前記評価された信頼性が閾値を下回る場合、前記抽出されたターゲットマークの代わりに、前記識別された第１のマークに基づき新たなターゲットマークとして前記複数の位置検出マークから第２のマークを選択し、前記スコープにより前記第２の倍率で撮像された画像から前記選択された第２のマークの位置を抽出する演算処理部と、前記抽出された第２のマークの位置に基づき前記ステージの位置を制御する制御部と、を有する。

本発明によれば、例えば、アライメントマークがウエハ処理によってダメージを受け、目標とするマークが検出できない場合、もしくは計測ができなくなった場合でも正確にアライメントを実施できる。

本実施形態の半導体製造装置の概略図である。第１の実施形態の識別マークを有するアライメントマークの図である。第１の実施形態の識別マークを有するアライメントマークの図である。第１の実施形態の識別マークを有するアライメントマークの図である。第１の実施形態の識別マークを有するアライメントマークの図である。第１の実施形態の識別マークを有するアライメントマークの図である。第２の実施形態を説明する図である。第２の実施形態を説明する図である。第３の実施形態を説明する図である。第４の実施形態を説明する図である。第４の実施形態を説明する図である。アライメントマークをウエハに配置した様子を示す図である。本実施形態のアライメントシーケンスを示すフローチャートである。従来のアライメントおよびアライメントマーク配置を示す図である。従来のアライメントシーケンスを示すフローチャートである。半導体デバイスの製造フローを説明する図である。ウエハプロセスを説明する図である。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］図６（ａ）のAMは、グローバルアライメントで使用するアライメントマークの例を示す。このアライメントマークAMはグローバルアライメントにおいてX方向の計測とY方向の計測とを同時に行うことが可能なマークである。

グローバルアライメントでは図６（ａ）に示すウインドウX内のマークを高倍率のスコープ(高倍率検出系)で観察し、同時にウインドウY内のマークを高倍率検出系で観察し、プリアライメント時よりさらに細かな分解能でマーク位置を検出する。

次に、図１と図４を用いてグローバルアライメント動作について説明する。

ウエハWが半導体製造装置に供給されると、ウエハWの外周とオリフラまたはノッチと呼ばれるマーク（図４のN）を用いてメカニカルな位置合わせをメカニカルアライメント装置MAで行い、ウエハWのラフな位置を決定する。次にウエハは不図示のウエハ供給装置でチャックCHに載せられグローバルアライメントを行い、正確にウエハの位置および、露光ショットの位置が求められる。グローバルアライメントは、高い倍率のスコープ(高倍率検出系)を用いてウエハ上の複数のグローバルアライメントマークFXY1〜FXY4におけるX方向の計測マークFX1〜FX4、およびY方向の計測マークFY1〜FY4を計測してウエハWのX,Y方向のずれと、回転成分、および、ショット配列の倍率成分を求める。

次に、図６（ａ）に示すマークAMを低倍系と高倍系とで同時に観察することができるスコープについて詳細に説明する。図１に示すウエハアライメント用の顕微鏡SCは、低倍系と高倍系を同時に観察し、マーク位置検出処理できるようになっている。照明光はアライメント照明光源Liからスコープ内に導光され、ハーフミラーM1（又は偏光ビームスプリッタ）を通り、ウエハW上のマークを照明する。例えば、図４のマークFX1を照明する。ウエハWからの反射光は、ハーフミラーM1,M2を通って、高倍率検出センサS2に届く。同様に、ウエハWからの反射光はハーフミラーM1,M2を通り低倍率検出センサS1に届く。センサS1,S2で撮像された画像や信号は、マーク位置算出処理装置Pでマーク位置として計測される。

マーク位置の計算は低倍系と高倍系の２種類のセンサ毎に行われる。低倍系センサS1で光電変換された電気信号はアナログ／デジタル変換器AD1でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、画像メモリMEM1に記憶され、画像処理部COM1にてパターンマッチング処理等によって、マーク位置をメモリ内でサーチする。パターンマッチングのテンプレートは、図２Ｂに示される、８本の縦線と８本の縦線から構成される２次元パターンにより構成される。テンプレートマッチングでは、テンプレートと同一形状のマークだけでなく、線幅等が変形しているマークでも検出できるように、マッチング処理を最適化されており、メモリ内すなわち視野内には同一形状のマークまたは、線幅や、マーク段差構造の異なる類似形状のマークが存在していても全てのマーク位置はサーチされる。

また、テンプレートの種類を複数とし、例えば図２Ｂのような縦８本、横８本のマークと、図示していないが縦６本、横６本のマークがそれぞれ２個以上同一または類似形状のマークが配置されている場合、２種類のテンプレートを用いて全てのマークはサーチされる。同様にテンプレートを増加させる等の手段により、検出可能なマークの種類に限度はない。

高倍系と低倍系の反射光の違いに関しては、センサS1，S2の蓄積時間を変えるなどして、照明側の切り替えを行わないようにしている。本実施形態では、特に蓄積時間に関して、前記テンプレートマッチングに関しては説明しない。なお、検出方法としてパターンマッチング、テンプレートマッチングに限定されるものではない。

次に、図６を用いて、高倍系および低倍系の倍率と視野およびアライメントマークの関係について説明する。

図６（ａ）は高倍系の観察可能視野HFである。X,Yマークそれぞれの移動可能範囲はほとんどない。図６（ｂ）は低倍系の観察可能視野MFである。HFより広い視野を有しており、高倍系と低倍系の同時観察時に高倍視野HFに追い込むための微小移動量をdx,dyを算出する。

次に、図２のマークと図１に示すアライメントスコープSCを用いた高速なウエハアライメントについて説明する。

ハーフミラーM2で分割され、透過した光は高倍率検出結像光学系内の光電変換素子S2に導光され、アライメントマークAM像を素子上に結像する。さらに、ハーフミラーM2で分割された光は低倍率結像光学系内のセンサ（光電変換素子）S1に導光され、アライメントマークAMの像を素子上に結像する。このとき、同時にセンサ（光電変換素子）S1,S2にアライメントマークAMの像を結像させる。同時に結像させることによって、図６（ｂ）に示すずれ量dx,dyが許容範囲より小さい場合、高倍率検出系のセンサ（光電変換素子）S2上には正確な位置計測が可能なアライメントマークAMの像が結像していることになる。そのときに取り込んだアライメントマークによる高倍系センサS2の信号で求められたアライメントマーク位置の計算結果は有効である。許容範囲とは図６（ａ）に示されるウインドウXおよびウインドウYにマークが入っていると判断されるずれ量である。従って、低倍系の計測で求められたずれ量dx,dyが許容範囲内であれば最も高速に高倍系での検出位置を決定することが可能となる。仮に範囲外であれば、dx,dyだけステージを微動させた後、高倍系の計測を行う。

次に、図２Ａを用いて、視野内に類似形状のアライメントマークが存在した場合のマーク判別について述べる。なお、以下では、転写したいフォトリソ工程のターゲットマークがP1であるとして説明する。この工程の前のフォトリソ工程でもアライメントが実施されていたのでL1,M1,N1,O1といった古い工程の同一形状のアライメントマークが隣接して配置されていることがある。L1,M1,N1,O1,P1はアライメントマーク構造の最適化のために、それぞれマーク線幅と凹凸が異なる類似形状のマークである場合もある。当然前記したように、マークの形状は自由でありこれに限定されるものではない。L1,M1,N1,O1,P1の位置は予め転写したいフォトリソ工程の露光制御プログラム（JOB）に記憶されている。もちろん、この位置情報の管理は、JOBごとに入力されてもよいし、IC製品を製造するためのJOB集合であるプロジェクトファイルから、過去のJOBから過去に刻印されたあるいは使用したアライメントマークの座標を抽出してもよい。そこで、視野の中からマークP1だけを探し出して、上記dx,dyを求めるため、図２Ｂのように、図６（ａ）に示されるアライメントマークの高倍計測に影響が無い範囲にマーク識別用の補助パターンCPa,CPb,CPc,CPdを付加している。例えば、マークP1は補助パターンを付加せず、O1には右上に小型の正方形を付加する。このように、L1,M1,N1,O1,P1のそれぞれ高倍計測に影響の無い領域に補助パターンをそれぞれ異なる位置に追加する。

補助マークが付加された複数のマークの判別方法について図２Ｂを用いて説明する。図２Ａの状態でマークの位置をサーチすると５箇所検出される。５箇所の検出位置それぞれについて図２Ｂに示す補助パターンCPa,CPb,CPc,CPdの存在を、各補助パターンの領域についてテンプレートマッチングもしくはコントラスト変化、ヒストグラムなどによって判断する。各補助パターンまでの距離は等距離でもそうでなくてもかまわない。図２Ｂでは、P1の中心からCPaの中心までの距離をXa，Ya，CPbまでの距離をXb，Yb，CPcまでの距離をXc,Yc、CPdまでの距離をXd,Ydとしている。これら補助パターンCPa,CPb,CPc,CPdの形状も正方形である必要はない。もちろん、センサS1の視野内で観察可能であれば、各補助パターンまでの距離は、高倍マーク計測の近傍である必要はない。

各アライメントマークには以下の情報を加えておくと判別が可能となる。

CPa CPb CPc CPd
L1 ありありなしなし
M1 なしありなしなし
N1 なしありありなし
O1 ありなしなしなし
P1 なしなしなしなし
P1を判別するには、５箇所のアライメントマークの中から補助パターンの組み合わせが上の表のP1に相当するマークの有無を判断する。４箇所で判別を行うと、１６通りの判別が可能である。

次に、図５に示すフローチャートを用いて具体的の本実施形態について説明する。

ウエハの露光に関する概略フローは図７に示されるS100〜S107で既に述べたフローと何ら変わらない。本実施形態でのマーク位置を算出するフローは図５のS10となる。S100でグローバルアライメントが始まると、最初の計測マークFXY1へ移動する（S101）。FXY1周囲には図２Ａに示されるような複数の類似マークが刻印されており、その中の１つがターゲットとなるアライメントマークFXY1である。なお、低倍系と高倍系の同時検出に使用されるマークはFXY1とFXY2の２箇所とした。最初のFXY1では、低倍系・高倍系検出を行うマークであるので、低倍撮像、高倍X撮像、高倍Y撮像を同時に行う（S210、S211,S212）。取り込まれた像はマーク位置の算出が行われる。高倍系に関してはマークが正しく撮像されていない可能性もあるが、マーク位置を計算する（S113、S114,S115）。低倍系はメカニカルアライメントの再現性の範囲で視野内にマークが入るほど広い範囲で撮像しているので、マーク位置は求められる。その際、視野内には図２Ｂのような状態で複数の類似マークが観察される。S215でマーク位置算出を行う。マーク算出では、視野内のターゲットを含む複数のマーク位置が算出される。複数のマークの中からターゲットのアライメントマークを識別マークの情報を使いながら識別を行う（S219）。

ところで、ターゲットマークが信号の劣化などによって識別できない場合がある。もしも識別できない場合（S220）、予めJOBに記憶している他の複数のマーク位置とターゲットマークとの相対位置関係から、正しいターゲットマーク位置を推定しターゲットマークを選択する(S221)。

一方、ターゲットは高倍系では同時にマーク位置算出を行っているが、その演算結果において、マーク計測の信頼性を評価して、信頼性が低くマークを正しく計算できないと判断されたならば（S216）、S215およびS219で得られた、ターゲットマークを含む複数のマーク位置に基づいてターゲットの変更を行う（S217）。

高倍系でのマークを正しく計算できないと判断する基準には、例えば信号のコントラストやS/Nが規定の閾値に満たない、あるいは計算された複数の信号の中心位置から算出される各間隔がマーク設計値に対して誤差が大きいなど様々な方法がある。マークの計測信頼性を測る方法はここに示した方法に限らない。

ターゲットの変更に関しては、低倍系で検出されたそれぞれのマークの中から、１工程前のJOBで使用されていたマークを選択、もしくは検出された視野の中で高倍計測用のマークのコントラストが最も高いマークを選択するなど、手法は様々ある。マーク選択の方法はここに示した方法に限らない。

低倍系のマークが識別された場合、あるいはターゲットマークが選択された場合、もしくは高倍系で計測ができないと判断されてターゲットが変更された場合、選択されたターゲットマークを高倍系計測するためマークずらし量dx,dyを決定する(S222)。ずらし量dx,dyがそれぞれ高倍系計測のためにステージを移動する必要のない距離であれば、すなわち許容範囲内であれば高倍系で撮像したアライメントマークの像は正確な位置を求めることが可能な像であるのでS213,S214で計算されたFX,FYマーク位置を採用しマーク位置検出を終了する（S223）。もしも許容範囲を超えていた場合、正しいアライメントマークが高倍系で撮像されていないので、dx,dyだけステージをずらし(S224)、再度高倍系の撮像を行う（S225,S226）。

次に、マーク位置検出（S227,S228）を行い、FX1,FY1マーク位置を決定する。ただし、マーク位置が正しく計算できていないと判断されたならば（S229）、S215およびS219で得られた結果に基づいてターゲットの変更を行う（S230）。ターゲットを変更したら、新しいターゲットの位置に基づいてdx,dyだけステージをずらし(S224)、高倍計測をやり直す。

ずらし量dx,dyが許容範囲内、あるいは、マーク位置が正しく計算できたならば、図７に示すように、第２のアライメントマークFXY2へ移動し（S103）、第２のマークも低倍系、高倍系の同時計測が必要なので図５のS10のフローでマーク位置FX2,FY2を算出する。このとき、第１のアライメントマークFXY1でウエハWのステージSTG上でのXY位置は予め求められているので、第２のマーク位置へ移動する際には、未決定のθ成分の誤差を見越しただけのサーチ範囲を図３Ｂに示すように、視野内の中心付近SAに限定してもよい。

その後、第３、第４のマーク位置を算出するために、FXY1,FXY2マークのFX1,FY1,FX2,FY2から求められる第３、第４のマークの目標位置のずれShift X,Shift Yおよび回転成分θおよび、ウエハ倍率成分Magを求める（S105）。Shift X,Shift Yおよびθは、ウエハWがチャックCHに載せられた際のずれ量でありメカニカルアライメントのオフセットである。Magはウエハ上のショットパターンの伸び量である。これらの量が大きいと、第３、第４のマーク位置へ直接移動してもアライメントスコープの真下にマークを移動させることができない。そこで、θ量とMag量およびShift X,Shift Yの各量に基づいて、ウエハのショットレイアウトとステージ座標系のずれを計算する。すなわちウエハ上の格子をステージの格子に合わせる際の微小補正量を求める。第３、第４マークをアライメントスコープ位置に追い込む際に前記微小補正量を反映させる。そうすることで、低倍系で処理しなくとも第３、第４マークは高倍系で直接観察することが可能となる。

このとき、θの補正をウエハWが載っているチャックCH、あるいはステージSTGを回転させても構わない。ただし、回転動作を加えるとウエハ処理時間が長くなる場合がある。よって、本実施形態では回転操作を加えないことが望ましい。第１のマークから第４のマークまでの計測が完了すると、ウエハアライメントが終了する。

図１では、オフアクシスアライメント方式の半導体製造装置を一例として説明したが、TTLアライメント方式でも、レチクルMASKを通してウエハのマークを観察するTTRアライメント方式であっても、低倍系と、高倍系を同時に観察することのできるスコープを使用し観察するならば、方式はとはない。また、アライメントマークの数も実施形態で示した４マークに限ったことではない。

また、図５に示すフローに限らず、最初に低倍系で撮像し（S212、S215）、ターゲット識別（S219）と選択（S221）を行って、ずらし量dx,dyを算出し（S222）、ステージをdx,dy移動させ（S224）、高倍検出（S225,S226）、マーク位置算出（S227,S228）を行うシーケンシャルな処理でもかまわない。シーケンシャルに実行する分、速度は低下するが、同時計測ができないハード構成でも視野内に複数の類似マークが存在する場合のマーク識別を行うという点では効果がある。

マークの識別用補助パターンを図２Ｂに示したが、形状と配置はこれに限定されるものではない。図２Ｃのように識別マークの形状を変える、図２Ｄのようにマークから離れた箇所に識別マークを入れるといった変形例であっても効果は同じである。その場合、低倍の視野内で複数のマーク位置を算出した後それぞれの位置から予め決まっている位置のマークパターンの形状を、各パターン用のテンプレートを使ったテンプレートマッチングなどの画像処理によって判断する。さらには、図２Ｅのような、XY計測マークにおいて計測マークの一部を計測に影響しないように変形させ、識別する例もあるであろう。識別の方法はマーク長を計るなどさまざまの処理があげられる。

通常ウエハの露光処理は１枚で終わらず、数枚のウエハを１ロットとして処理する。２枚目以降のウエハのアライメントに関しては、１枚目のウエハで求められた結果を利用できる。第１にターゲットマークの劣化具合はロット内で安定している傾向が高いので、２枚目以降のウエハのターゲットマークは、１枚目のウエハで変更したターゲットマークを使用する。その結果マーク選択および変更をすることなく良好なマーク位置計測が可能となる確立が高くなる。第２にメカニカルアライメントのオフセットが求められているので、２枚目以降のウエハにおいては、図３Ｂに示すようにサーチ範囲SAを視野中心に狭くする。これは誤計測および画像処理の高速化につながる。

本実施形態で示す、ターゲットアライメントマークの変更において、アライメントマークの描画位置がマーク毎にレチクルパターンデータに対してずれている場合がある。そこで、アライメントマークの描画位置とレチクルパターンのずれ位置は予め計測しておき、アライメントマークオフセットとしてマーク毎に記憶しておく。そうすると、ターゲットマークを変更した際、記憶されているアライメントマークオフセットを反映すると正確にレチクル上のパターンがウエハに露光される。

また、前工程で使用したアライメントマークに変更した場合、前工程のアライメント結果は、すでに検査工程で計測されている。よって、前工程の検査結果をアライメントマークオフセットとして記憶しておき、ターゲットマークを変更した際、記憶されているアライメントマークオフセットを反映すると正確にレチクル上のパターンがウエハに露光される。

［第２の実施形態］
次に、同一視野内の複数の類似マークからターゲットマークを決定する第２の実施形態について説明する。なお、基本的なハード構成、アライメントマークおよび計測のフローは第１の実施形態と同じなので詳細は省略し、差異について述べる。

図３ＡのようにターゲットマークがP1でそのマークが視野から外れている場合、マークの検出は通常不可能である。しかし、P1以外の類似マークは視野内に存在するため、P1とL1,M1,N1,O1のそれぞれの位置関係が予め記憶されていれば、L1、M1,N1,O1いずれかのマークを新しいターゲットマークに変更する。その際、検出できたマークの中から決定したターゲットマークの位置に応じてFine用ずらしマークdx,dyが算出される。例えばL1マークを検出できたとすると、L1を新しいアライメントマークに変更し、記憶されているL1の座標に応じて。Fine計測のためにステージを移動させる量dx,dyを算出し、L1を高倍系のスコープで位置検出する。もしも、高倍系のスコープで取り込んだ信号でマーク位置を計測できないことが第１の実施形態のマーク計測の信頼性を評価する方法で判断されれば、L1以外のマークをターゲットマークに変更し、ステージを移動させマーク計測を繰り返す。このように予め指定したターゲットマークを特定できなくとも観察された周辺マークをターゲットマークに置き換えて高倍検出を行う。

もちろん、視野にP1が存在しないとしてもP1の位置は周囲のL1,M1,N1,O1とP1の相対位置関係から推定されるので、一度ターゲットマークであるP1の位置にステージを移動し高倍計測を行い、その際、高倍計測ができないと判断されれば、位置関係が記憶されているL1,N1,M1,O1のいずれかを新しいターゲットマークに変更しても良い。

［第３の実施形態］
同一視野内の複数の類似マークからターゲットマークを決定する第３の実施形態を説明する。第１及び第２の各実施形態では補助パターンを付加し、補助パターンによってマークを判別する方法を述べた。第３の実施形態では、補助パターンがなくても視野内に複数の類似形状のパターンが存在する際のターゲットマーク決定の方法について説明する。なお、基本的なハード構成、アライメントマークおよび計測のフローは第１の実施形態と同じなので詳細は省略し、差異を述べる。

図３ＣのようにターゲットマークがP1でその他の類似パターンが視野内に存在する。ただし、それぞれのマークとの距離は互いに異なる距離だけ離しておく。よって、図３ＣのSPX1,SPX2,SPY1,SPY2はそれぞれ異なる設定である。そして、それぞれの相対距離の組合せは視野内で１つになるように配置する。視野内で全てのマーク中心を探すことができれば、それぞれの相対距離は１つしかないため、右の上から２番目のマークは必ずP1になる。もちろん他のマーク関係位置も決定する。

これらのマークの中からターゲットマークを識別することはもちろん上述したように可能である。ターゲットマークが信号の劣化などのために高倍系で検出できないことを、第１の実施形態のマーク計測の信頼性を評価する手法で判断された場合、他の位置決定済みのマークをターゲットマークに変更する。

またターゲットマークが視野外に外れていたとしても第２の実施形態で述べたように、左側の列が視野内に存在し、L1,M1,N1が識別できれば、即座にL1,M1,N1のいずれかをターゲットマークとして選択し、記憶されている座標に応じて、Fine計測のためにステージを移動させる量dx,dyを算出し、高倍系のスコープで位置検出する。なお、視野に存在しないP1、O1の位置もL1,M1,N1との相対位置関係から推定できるのでP1,O1も選択の対象である。もしも、高倍計測できないと判断されたのであれば、すでに位置関係が記憶されている他のマークをターゲットマークに変更し、ステージを移動させマーク計測を繰り返す。このように予め指定したターゲットマークを特定できなくとも観察された周辺マークをターゲットマークに変更すれば高倍検出が可能となる。

［第４の実施形態］
同一視野内の複数の類似マークからターゲットマークを決定する第４の実施形態について説明する。第１及び第２の各実施形態では補助パターンを付加し、補助パターンによってマークを識別しターゲットマークが判別できない場合、周辺のマーク位置からターゲットを判別する方法とターゲットマークの高倍計測ができない場合、位置が求められている周辺マークのいずれかをターゲットマークに変更する方法を述べた。第３の実施形態では、補助パターンがなくても複数の類似するマークの相対距離を異ならせ、組み合わせからターゲットマーク位置を特定し、ターゲットマークが判別できない場合、周辺のマーク位置からターゲットを判別する方法とターゲットマークの高倍計測ができない場合、位置が求められている周辺マークのいずれかをターゲットマークに変更する方法を述べた。

第４の実施形態では、補助パターンがなく、複数の類似マークの相対距離が異なることなく等距離で配置され、視野内に複数の類似形状のパターンが存在する際のターゲットマーク識別の方法およびターゲットマークの変更方法について説明する。なお、基本的なハード構成、アライメントマークおよび計測のフローは第１の実施形態と同じなので詳細は省略し、差異を述べる。

図３ＤのようにターゲットマークがP1でその他の類似パターンが視野内に存在する。ただし、刻印されているマークは全て視野内に入る領域に配置されていることを条件とする。

全てのマークが視野内でサーチされた場合、仮にP1がターゲットマークならば、右側の列の上から２番目のマークがP1である。

次に、視野内に全てのマークが検出できなかった場合も含め、図３Ｅを参照しながらターゲットマークを推定する方法について述べる。そのために、以下の条件を追加する。なお座標系は視野の左下が原点(0,0)で第１象現とする。

視野サイズがAx,Ay、マーク間隔がMx,My、マークはNx×Ny個、２次元に並んでおり、配置されているマークの数はそれぞれ以下の条件を満たす。

Ax＞Mx*（Nx-1)
Ay＞My*（Ny-1)
２次元に並んだマーク群の先頭をマーク群左下のマークと定義する。

視野内で検出された複数のマーク座標を(Xij,Yij){i=1,2,,,,k j=1,2,,,,l}
但し、k≦Nx,l≦Nyとして、ターゲットマーク座標およびターゲットマークへの移動量を決定する方法を述べる。

以下、説明を簡単にするためにY方向の計測個数と位置からターゲットマークを識別する方法を説明する。検出できたマーク個数がl(＜Ny)の場合、Ny個並んでいるマークの上部または下部が視野からはみ出している。l=Nyならば、はみ出てはいない。

最初に、マーク群が上方、下方どちらの方向に移動したか調べる。そのために、検出できたマークの平均位置を求める。

Meanyと視野中心Aycを比較しMeany＞Aycならば上方へ移動、Meany＜Aycならば下方に移動したことが判断される。

次にマークの先頭座標を計算する。先頭座標をY方向の下側、X方向の左側のマークとする。上記比較からマークが上方へ移動したと判断されたならば、マークの先頭Topyは、検出されたマークのY座標が最小のマークMiny=Min(y_1j{j=1,2,,l})になる。下方に移動したと判断されたならば、先頭マークは視野からはみ出している可能性がある。検出されたマークの中でY座標が最大のマークMaxy=Max(y_1j{j=1,2,,l})はマーク群の左上隅のマークになる。よって、Maxy-My*(Ny-1)なる座標がマーク先頭となる。X方向に関しても同様の演算で先頭マーク位置を決定し、マーク群の左下隅にある先頭マーク座標を決定する。整理すると次の条件式から先頭マーク座標を決定する
If(Meanx≧Axc)
Topx=Min(x_i1{i=1,2,,,k}
If(Meanx＜Axc)
Topx=Max(x_i1{i=1,2,,,k})-Mx*(Nx-1)
If(Meany≧Ayc)
Topx=Min(y_1i{j=1,2,,,l})
If(Meany＜Ayc)
Topx=Max(y_1i{j=1,2,,,l})-My*(Ny-1)
最後に、先頭マーク座標(Topx,Topy)からターゲットマークを推定する。ターゲットマークと先頭マークの相対距離(Tdx,Tdy)は既知である。よって、次の演算によってターゲットマーク座標(Tx,Ty)の位置が算出される。
Tx=Topx+Tdx
Ty=Topy+Tdy
最後に視野中心からターゲットマークまでの距離を求め、ステージ移動量(dx,dy)が算出される。
dx=Ax/2-Tx
dy=Ay/2-Ty
極端な場合として１個だけ検出された場合でも、マーク群がどちらの方向に移動したか判断され、視野内に存在しないターゲットマークの座標およびステージ移動量を決定できる。もちろん全てのマークが検出された場合も上の式を使うとターゲットマークの座標及びステージ移動量を決定できる。

具体的に図３Ｅの場合の計算を示す。Nx=2,Ny=3である。６個のマーク群は右下方向に移動している。検出できているマークはL1,O1でターゲットマークはP1とする。検出できたマークの平均値Meanx,Meanyは視野中心Axc,Aycと比較すると、Meanx＞Axc,Meany＜Aycである。

Meanx＞Axcなので検出できているマークの最小値を選択し、Topx=Minx
Meany＜Aycなので検出できるマークの最大値を選択し、Topy=Maxy-My*(3-1)
予め６個のマーク群の先頭とP1マークの距離Tdx,Tdyは既知なのでターゲットマークの座標は、Tx=Topx+Tdx,Ty=Topy+Tdyが計算される。最終的に視野中心へ移動する距離が、dx=Ax/2-Tx,dy=Ay/2-Tyとして算出される。

このようにターゲットマークを特定できなくとも、検出されたマークの位置と個数から全体のマークの数およびマークの相対距離が記憶されていればターゲットマークの推定は可能で、高倍検出するためのステージ移動量dx,dyが算出される。ステージ移動の後にはターゲットマークの高倍検出が可能である。

予め指定されたターゲットマークに移動しても、信号の劣化によって高倍計測ができないと判断されれば、第１の実施形態に示すように、予め座標がわかっている他のマークにターゲットマークを変更し、ステージを移動したのち、高倍計測を実施する。

上記実施形態によれば、高倍系、低倍系を同時に計測し高速にアライメントする際、低倍視野内に類似形状のアライメントマークが複数存在する時、計測ターゲットのアライメントマークを決定する手法を提案した。本発明により、アライメントマーク刻印の制約を排除しながら、スループットを落とすことなくアライメントすることが可能となる。

さらに、ターゲットマークの識別がマークの劣化になどによって困難な場合でも、ターゲットマークと相対位置関係が記憶されている他のマークとの位置関係からターゲットマークの位置を推定できる。

また、ターゲットマークの高倍系計測においてマークの劣化による信号劣化から、計測が不可能と判断された場合、位置を記憶している他のマークをターゲットマークに変更し装置を止めることなくアライメント処理を継続することができる。

さらに、ターゲットマークが劣化した際でも、ターゲットマークの推定もしくは、ターゲットマークの変更を行いながら、低倍・高倍同時検出マークの結果に基づいて高倍のみ検出するマークへのステージ送り込み移動量をウエハとステージ間の回転成分θと倍率成分MagおよびShift X,Shift Yを補正したことによって、高倍での検出では正確にマーク位置検出ができる。もちろん、回転成分の補正にステージのθ回転動作を伴わない方法、すなわちθ成分をX,Yに分離したステージ移動による追い込みによってマーク位置を追い込むことにより、θ回転動作に起因するスループット低下を防いだ。

そして、類似のアライメントマークが複数存在していても２枚目からのウエハにおいては、低倍系でのサーチ範囲を縮小し、的確にターゲットマークのみをサーチする手法を提案した。これによって、アライメント時間の短縮にも効果がある。

また、２枚目のウエハからは１枚目のウエハで信号の劣化によって変更したターゲットマークを使用することを継続すると、ターゲットマークを変更する確率が下がり、安定した計測と、アライメント時間の短縮に効果がある。

［デバイスの製造方法］次に、上述した半導体製造装置を利用したデバイスの製造方法の実施形態について説明する。

図８に微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップＳ２１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップＳ２２（露光制御データ作成）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。一方、ステップＳ２３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップＳ２４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した露光制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップＳ２５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップＳ２４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（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Ｓ２６（検査）ではステップＳ２５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う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップＳ２７）される。

図９は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップＳ３１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップＳ３２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ３３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ３４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップＳ３５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップＳ３６（露光）では上記説明した露光装置によって回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップＳ３７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップＳ３８（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Ｓ３９（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うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

本実施形態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低コストに製造することができる。

［他の実施形態］
本発明は、前述した実施形態のグローバルアライメントのフローを実現するソフトウェアのプログラムを、システム或いは装置に直接或いは遠隔から供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータが該供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。その場合、プログラムの機能を有していれば、形態は、プログラムである必要はない。

従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明のクレームでは、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。

その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。

プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ）などがある。

その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続し、該ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記録媒体にダウンロードすることによっても供給できる。また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明のクレームに含まれるものである。

また、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせ、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。

また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。

さらに、記録媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。

Claims

ショットの位置を得るために基板の各ショットごとに配列された複数の位置検出マークの中からターゲットマークを検出し、検出したターゲットマークに基づいて前記基板の位置合わせを行い、前記基板にパターンを露光する露光装置であって、
前記基板を載置して、移動されるステージと、
前記基板の画像を第１の倍率及び当該第１の倍率より高い第２の倍率で撮像するスコープと、
前記スコープにより前記第１の倍率で撮像された画像から、前記複数の位置検出マークの中の第１のマークの位置と当該第１のマークの外側の領域の特徴とを抽出して、前記抽出された特徴に基づき前記第１のマークを識別し、前記スコープにより前記第２の倍率で撮像された画像から、前記ターゲットマークの位置を抽出して、前記抽出されたターゲットマークの位置の信頼性を評価し、前記評価された信頼性が閾値を下回る場合、前記抽出されたターゲットマークの代わりに、前記識別された第１のマークに基づき新たなターゲットマークとして前記複数の位置検出マークから第２のマークを選択し、前記スコープにより前記第２の倍率で撮像された画像から前記選択された第２のマークの位置を抽出する演算処理部と、
前記抽出された第２のマークの位置に基づき前記ステージの位置を制御する制御部と、を有することを特徴とする露光装置。
前記特徴は、前記第１のマークの外側の領域に形成された補助パターンの位置に相当することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記複数の位置検出マークはそれぞれ、異なる補助パターンを有することを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
前記補助パターンは、前記第１のマークに付加されることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
前記補助パターンは、前記第１のマークの周囲に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
前記特徴は、前記複数の位置検出マークにおける前記ターゲットマークと他の位置検出マークとの相対位置に相当することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記特徴は、前記複数の位置検出マークにおける前記ターゲットマークと他の複数の位置検出マークとの相対位置に相当することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記演算処理部は、前記第１の倍率で前記スコープにより撮像された画像を用いて、前記複数の位置検出マークの中から複数の前記第１のマークを抽出し、抽出した前記第１のマークから前記新たなターゲットマークとして前記第２のマークを選択することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記演算処理部は、前記抽出した複数の第１のマークの各々のコントラストに基づいて、前記新たなターゲットマークとして前記第２のマークを選択することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
前記制御部は、複数の基板を１ロットとして露光処理する場合、２枚目以降の基板については、１枚目の基板で前記ターゲットマークとして選択された第２のマークを使用して、前記ステージの位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
物体の領域の位置を得るために前記物体の領域内の複数のマークの中からターゲットマークの位置を検出する位置検出方法であって、
前記物体の第１の画像を第１の倍率で撮像する工程と、
前記物体の第２の画像を前記第１の倍率より高い第２の倍率で撮像する工程と、
前記第１の画像から、前記複数のマークの中の第１のマークの位置と当該第１のマークの外側の領域の特徴とを抽出する工程と、
前記抽出された特徴に基づき前記第１のマークを識別する工程と、
前記第２の画像から、前記ターゲットマークの位置を抽出する工程と、
前記抽出されたターゲットマークの位置の信頼性を評価する工程と、
前記評価された信頼性と前記識別された第１のマークとに基づき新たなターゲットマークとして前記複数のマークから前記抽出されたターゲットマークとは異なる第２のマークを選択する工程と、
前記第２の倍率で撮像された画像から前記選択された第２のマークの位置を抽出する工程と、を有することを特徴とする位置検出方法。
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置を用いてレチクルを介して基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップと、
現像された前記基板を加工してデバイスを製造するステップと、を備えることを特徴とするデバイス製造方法。