JP5209012B2 - 位置合わせ測定方法及び位置合わせ測定装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、位置合わせ測定方法及び位置合わせ測定装置に関する。

画像ベースの位置合わせ測定装置では、測定対象デバイスの微細化に伴い、要求される位置合わせ精度が厳しくなってきていることから、高精度に位置合わせ測定を行うためにサンプリングポイントの多点化が進んでいる。リソグラフィー工程で使用するレチクルへ位置合わせ測定用マークを配置する場合は、ショット領域におけるスクライブライン上に配置する。位置合わせの高精度化の要求に伴い、ショット領域内へ配置する位置合わせ測定用マークの必要個数は増大している。配置可能なスクライブライン上のマークの個数を増大させるためには、個々の位置合わせ測定用マークのサイズを小さくする必要がある。

画像ベースの位置合わせ測定装置は、位置合わせ測定を行なう際に光学顕微鏡を使用している。これにより、位置合わせ測定用マークの小型化が進行すると、光学顕微鏡がもつレンズ収差が位置合わせ計測精度へ影響を与える可能性がある。具体的には、光学顕微鏡（測定光学系）において奇関数収差であるコマ収差がある場合に、位置合わせ測定用マークの光学像がシフトし、位置合わせ測定の誤差が増大する可能性がある。

特開２００９−２１２２７６号公報 特開２００８−５３６１８号公報

１つの実施形態は、例えば、位置合わせ測定の精度を向上できる位置合わせ測定方法及び位置合わせ測定装置を提供することを目的とする。

１つの実施形態によれば、基板上に形成された位置合わせ測定用マークの光学像を測定光学系で取得することにより位置合わせずれ量を測定する位置合わせ測定方法であって、前記測定光学系の画角に対応した測定領域内が２次元的に分割された複数の部分領域のそれぞれに前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記位置合わせ測定用マークに対する前記測定領域の相対的な位置を順次にシフトさせながら前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を予め測定して、前記測定光学系の特性ずれに関する装置要因誤差を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求め、前記複数の部分領域ごとに求められた前記装置要因誤差に基づいて前記複数の部分領域のうち使用すべき部分領域を決定し、前記決定された前記使用すべき部分領域に前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記位置合わせ測定用マークに対する前記測定領域の相対的な位置をシフトさせた状態で前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を測定することを特徴とする位置合わせ測定方法が提供される。

また、他の実施形態によれば、基板における位置合わせずれ量を測定する位置合わせ測定装置であって、前記基板上に形成された位置合わせ測定用マークの光学像を取得する測定光学系と、前記基板を保持する基板ステージと、前記測定光学系の画角に対応した測定領域内が２次元的に分割された複数の部分領域のそれぞれに前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記基板ステージを駆動させることにより前記位置合わせ測定用マークに対する前記測定領域の相対的な位置を順次にシフトさせながら、前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を前記複数の部分領域のそれぞれごとに予め測定させる測定制御部と、前記測定制御部の制御に基づいて測定された前記位置合わせずれ量に基づいて、前記測定光学系の特性ずれに関する装置要因誤差を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求める演算部と、前記複数の部分領域ごとに求められた前記装置要因誤差に基づいて前記複数の部分領域のうち使用すべき部分領域を決定する決定部とを備え、前記測定制御部は、前記決定された前記使用すべき部分領域に前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記基板ステージを駆動させ、前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を測定させることを特徴とする位置合わせ測定装置が提供される。

実施形態にかかる位置合わせ測定装置の構成を示す図。 実施形態における位置合わせ測定方法を示すフローチャート。 実施形態における位置合わせ測定方法を示す図。 実施形態における位置合わせ測定方法を示す図。 実施形態における位置合わせ測定方法を示す図。 比較例における位置合わせ測定方法を示す図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる位置合わせ測定装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
実施形態にかかる位置合わせ測定装置１００について図１を用いて説明する。図１は、位置合わせ測定装置１００の概略構成を示す図である。

位置合わせ測定装置１００は、ウエハーステージ（基板ステージ）１、駆動部１２、光源５、光学プリズム８、光学ミラー６、光学顕微鏡（測定光学系）７、ＣＣＤ検出器９、画像処理装置１０、処理演算装置１１、及び制御部１３を備える。

ウエハーステージ１は、その上にウエハー（基板）ＷＦが載置される。具体的には、ウエハーステージ１は、天盤（図示せず）、粗動ステージ（図示せず）、微動ステージ（図示せず）、及びウエハーチャック２を有している。天盤は、位置合わせ測定装置本体（図示せず）に固定されている。粗動ステージは、天盤上に配され、天盤上を例えば６方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸回りの回転方向、Ｙ軸回りの回転方向、Ｚ軸回りの回転方向）に駆動される。微動ステージは、粗動ステージ上に配され、粗動ステージ上を例えば６方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸回りの回転方向、Ｙ軸回りの回転方向、Ｚ軸回りの回転方向）に粗動ステージより短いストロークでかつ高い精度で駆動される。ウエハーチャック２は、微動ステージ上に配され、ウエハーＷＦが載置された際にウエハーＷＦを吸着する。これにより、ウエハーステージ１は、ウエハーチャック２を介してウエハーＷＦを保持する。

ウエハーＷＦは、その表面に、複数レイヤＬ１、Ｌ２のパターンが積層されている。また、複数のショット領域ＳＨ（図３（ａ）参照）を含むウエハーＷＦには、各ショット領域ＳＨごとに、複数の位置合わせ測定用マーク（アライメントマーク）ＡＭ１〜ＡＭ８が形成されている。すなわち、各ショット領域ＳＨでは、図３（ｂ）に示すように、回路素子のパターンが形成されるべき露光領域ＥＲの周辺のスクライブラインＳＬ上に、複数の位置合わせ測定用マークＡＭ１〜ＡＭ８が形成されている。

各位置合わせ測定用マークＡＭ１〜ＡＭ８は、複数レイヤＬ１、Ｌ２のマークを含み、レイヤ間の重ね合わせずれ量を測定するために用いられる。例えば、位置合わせ測定用マークＡＭ１は、図３（ｅ）に示すように、Ｘ方向の重ね合わせずれを測定するためのレイヤＬ１のマークＬ１Ｘ１、Ｌ１Ｘ２と、Ｙ方向の重ね合わせずれを測定するためのレイヤＬ１のマークＬ１Ｙ１、Ｌ１Ｙ２と、Ｘ方向の重ね合わせずれを測定するためのレイヤＬ２のマークＬ２Ｘ１、Ｌ２Ｘ２と、Ｙ方向の重ね合わせずれを測定するためのレイヤＬ２のマークＬ２Ｙ１、Ｌ２Ｙ２とを含む。

図１に示す駆動部１２は、制御部１３から制御信号を受ける。駆動部１２は、制御信号に従って、ウエハーステージ１を例えば６方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸回りの回転方向、Ｙ軸回りの回転方向、Ｚ軸回りの回転方向）へそれぞれ駆動する。具体的には、駆動部１２は、天盤及び粗動ステージの一方に設けられた第１の可動子（図示せず）と、他方に設けられた第１の振動子（図示せず）と、粗動ステージ及び微動ステージの一方に設けられた第２の可動子（図示せず）と、他方に設けられた第２の振動子（図示せず）とを有する。

制御部１３は、駆動部１２を介して、ウエハーステージ１を所定の目標位置へ駆動させる。

光源５は、光を発生させて、発生された光を光学プリズム８に向けて出射する。光源５は、例えば、キセノンランプ又はハロゲンランプである。

光学プリズム８は、光路上における光源５と光学ミラー６とＣＣＤ検出器９との間に配されている。光学プリズム８は、ハーフミラーとして機能し、光源５から出射された光を透過して光学ミラー６へ導くとともに、光学ミラー６から導かれた光を反射してＣＣＤ検出器９へ導く。

光学ミラー６は、光路上における光学プリズム８と光学顕微鏡７との間に配されている。光学ミラー６は、光学プリズム８から導かれた光を反射して光学顕微鏡７へ導き、光学顕微鏡７から導かれた光を反射して光学プリズム８へ導く。

光学顕微鏡７は、光路上における光学ミラー６とウエハーステージ１との間に配されている。光学顕微鏡７は、レンズ（図示せず）を有し、光学ミラー６から導かれた光をレンズで受けてウエハーＷＦ上の位置合わせ測定用マークＡＭ１へ集める。また、光学顕微鏡７は、位置合わせ測定用マークＡＭ１で回折された光をレンズで受けて、光学ミラー６及び光学プリズム８経由でＣＣＤ検出器９の撮像面上に位置合わせ測定用マークＡＭ１の光学像を形成する。

なお、他の位置合わせ測定用マークＡＭ２〜ＡＭ８についても同様である。また、図１には、光学顕微鏡７が投影光学系（図示せず）と独立に設けられたオフアクシス方式である場合について例示的に示されているが、光学顕微鏡７は投影光学系を介した光学系で位置合わせ測定を行なうためのＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式であってもよい。

ＣＣＤ検出器９は、その撮像面に形成された光学像を取得して画像信号（アナログ信号）を生成する。ＣＣＤ検出器９は、生成した画像信号を画像処理装置１０へ供給する。

なお、撮像面に形成された光学像を取得することが可能なものであれば、ＣＣＤ検出器（ＣＣＤイメージセンサー）９に代えて他の方式のイメージセンサー（例えば、ＣＭＯＳイメージセンサー）が用いられても良い。

画像処理装置１０は、ＣＣＤ検出器９から画像信号を受ける。画像処理装置１０は、受けた画像信号に対して所定のアナログ信号処理を行い、処理後の画像信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換して画像信号（デジタル信号）を生成する。そして、画像処理装置１０は、画像信号（デジタル信号）に対して所定のデジタル信号処理を行って画像データを生成し、その画像データからエッジ検出等の画像処理により位置合わせ測定に必要なデータ（波形データ）を取得して処理演算装置１１へ供給する。また、画像処理装置１０は、画像データを処理演算装置１１へ供給する。

処理演算装置１１は、波形データ及び画像データを画像処理装置１０からそれぞれ受ける。処理演算装置１１は、波形データに基づいて、レイヤ間の重ね合わせずれ量を求める。

次に、制御部１３及び処理演算装置１１の内部構成及び動作について説明する。

制御部１３は、測定制御部１３ａ及び記憶部１３ｂを有する。

測定制御部１３ａは、ウエハーＷＦにおける複数のショット領域ＳＨから位置合わせ測定用のショット領域ＳＨとして例えば７つのショット領域ＳＨ（図３（ａ）に斜線で示すショット領域）を決定し、７つのショット領域ＳＨから選択した１つのショット領域ＳＨ内に光学顕微鏡７の光軸が位置するように、駆動部１２を介してウエハーステージ１を駆動させる。

そして、測定制御部１３ａは、ショット領域ＳＨ内における複数の位置合わせ測定用マークＡＭ１〜ＡＭ８から、位置合わせ測定に使用する位置合わせ測定用マーク（例えば、ＡＭ１）を選択し、選択した位置合わせ測定用マークＡＭ１に光学顕微鏡７の光軸が位置するように、駆動部１２を介してウエハーステージ１を駆動させる。すなわち、測定制御部１３ａは、図３（ｂ）に破線で示すような測定領域内に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するように、駆動部１２を介してウエハーステージ１を駆動させる。

具体的には、測定領域は、光学顕微鏡７の画角に対応した領域であり、例えば光学顕微鏡７の測定視野に対応した矩形領域（図４（ａ）、（ｂ）の破線で示された領域）である。測定領域は、例えば、図３（ｃ）に示すように、測定領域内が２次元的に分割された複数の部分領域Ａ１〜Ａ５、Ｂ１〜Ｂ５、Ｃ１〜Ｃ５、Ｄ１〜Ｄ５、Ｅ１〜Ｅ５を有する。すなわち、測定領域内を位置合わせ測定用マークのサイズに応じて２次元的に分割する。例えば、測定領域が５０μｍ×５０μｍであり、位置合わせ測定用マークが１０μｍ×１０μｍである場合、測定領域内の分割数は５×５となる。

なお、分割は完全に分離している必要は無くオーバーラップしても構わない。例えば測定画角が５０μｍ、マークサイズが１０μｍで分割数を１０×１０というマークサイズの半分がオーバーラップする様な分割方法でも良い。

測定制御部１３ａは、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれに位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１を順次に駆動させる。具体的には、測定制御部１３ａは、ノッチ（ウエハーＷＦの切り欠き部）が下方になるようにウエハーステージ１をＺ軸回りに回転させた状態（図４（ａ）参照）で、部分領域Ａ１〜Ｅ５に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１をＸ方向及びＹ方向に移動させる。また、測定制御部１３ａは、ノッチが下方の状態（図４（ａ）参照）から、ノッチが上方になるようにウエハーステージ１をＺ軸回りに１８０°回転させた状態（図４（ｂ）参照）にする。測定制御部１３ａは、ノッチが上方の状態（図４（ｂ）参照）で、部分領域Ａ１〜Ｅ５に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１をＸ方向及びＹ方向に移動させる。これにより、測定制御部１３ａは、位置合わせ測定用マークＡＭ１に対する測定領域の相対的な位置を順次にシフトさせながら、ノッチが上方の状態とノッチが下方の状態とについて、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに予め複数回測定させる。

例えば、測定制御部１３ａは、ノッチが下方の状態（図４（ａ）参照）とノッチが上方の状態（図４（ｂ）参照）とのそれぞれについて、図３（ｄ）に実線で示すように、部分領域Ａ１に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１を駆動させる。これにより、測定制御部１３ａは、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を部分領域Ａ１について予め複数回測定させる。

例えば、測定制御部１３ａは、ノッチが下方の状態（図４（ａ）参照）とノッチが上方の状態（図４（ｂ）参照）とのそれぞれについて、図３（ｄ）に破線で示すように、部分領域Ｂ１に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１を駆動させる。これにより、測定制御部１３ａは、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を部分領域Ｂ１について予め複数回測定させる。

例えば、測定制御部１３ａは、ノッチが下方の状態（図４（ａ）参照）とノッチが上方の状態（図４（ｂ）参照）とのそれぞれについて、図３（ｄ）に１点鎖線で示すように、部分領域Ｃ１に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１を駆動させる。これにより、測定制御部１３ａは、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を部分領域Ｃ１について予め複数回測定させる。

例えば、測定制御部１３ａは、ノッチが下方の状態（図４（ａ）参照）とノッチが上方の状態（図４（ｂ）参照）とのそれぞれについて、図３（ｄ）に２点鎖線で示すように、部分領域Ｅ５に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１を駆動させる。これにより、測定制御部１３ａは、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を部分領域Ｅ５について予め複数回測定させる。

記憶部１３ｂは、位置合わせ測定レシピを記憶している。位置合わせ測定レシピは、位置合わせ測定を行なう場合の測定条件及び測定順序を示す情報を含む。

処理演算装置１１は、演算部１１ａ、及び決定部１１ｂを有する。

演算部１１ａは、上記のようにノッチが下方の状態（図４（ａ）参照）とノッチが上方の状態（図４（ｂ）参照）とのそれぞれについて測定制御部１３ａの制御に基づいて予め測定された位置合わせずれ量に基づいて、装置要因誤差を複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める（図５参照）。装置要因誤差は、光学顕微鏡（測定光学系）７の特性ずれに関する誤差成分である。例えば、装置要因誤差は、光学顕微鏡におけるレンズ（図示せず）のコマ収差に関する誤差成分であるＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）である。演算部１１ａは、例えば、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のＴＩＳ（Ａ１）〜ＴＩＳ（Ｅ５）をそれぞれ求める（図５参照）。

具体的には、各部分領域Ａ１〜Ｅ５について、ノッチが下方の状態で測定された位置合わせずれ量をＥ（０）、ノッチが下方の状態からＺ軸回りに１８０°回転させた状態（ノッチが上方の状態）で測定された位置合わせずれ量をＥ（１８０）とするとき、演算部１１ａは、
ＴＩＳ＝｛Ｅ（０）＋Ｅ（１８０）｝／２・・・（数式１）
によりＴＩＳを求める。

また、演算部１１ａは、上記のように測定制御部１３ａの制御に基づいて予め複数回測定された位置合わせずれ量に基づいて、繰り返し再現性を複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める（図５参照）。繰り返し再現性は、位置合わせずれ量の再現性に関する誤差成分である。例えば、繰り返し再現性は、複数回の位置合わせずれ量の測定値のばらつきが３σ（標準偏差の３倍）で表された誤差成分であるＲｅｐ（Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ）である。演算部１１ａは、例えば、複数の部分領域Ａ１〜E５のＲｅｐ（Ａ１）〜Ｒｅｐ（Ｅ５）をそれぞれ求める（図５参照）。

また、演算部１１ａは、予め取得された基準の測定光学系（図示せず）により測定された位置合わせずれ量と、上記のように測定制御部１３ａの制御に基づいて予め測定された位置合わせずれ量とに基づいて、装置機差を複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める。基準の測定光学系は、基準の位置合わせ測定装置（１号機）に備えられた測定光学系である。基準の測定光学系により測定された位置合わせずれ量の情報は、例えば、通信インターフェース（図示せず）を介して通信回線経由で基準の位置合わせ測定装置へ問い合わせて受信することにより取得されても良いし、ユーザーインターフェース（図示せず）を介してユーザにより入力されることにより取得されても良い。装置機差は、基準の測定光学系に対する測定制御部１３ａのずれ量に関する誤差成分である。例えば、装置機差は、同じ位置合わせ測定用マークを測定したときの基準の測定光学系による位置合わせずれ量の測定値と測定制御部１３ａによる位置合わせずれ量の測定値との差分で表されたＭａｔ（Ｔｏｏｌ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）である。演算部１１ａは、例えば、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のＭａｔ（Ａ１）〜Ｍａｔ（Ｅ５）をそれぞれ求める（図５参照）。

なお、位置合わせ測定装置が１台しかない場合、すなわち測定光学系を備える位置合わせ測定装置が１台しかない場合、Ｍａｔ＝０とされる。

さらに、演算部１１ａは、少なくとも装置要因誤差と繰り返し再現性とから、測定誤差を測定精度の判断指標として複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める（図５参照）。測定誤差は、位置合わせ測定におけるトータルの誤差である。例えば、測定誤差は、位置合わせ測定における上記の各誤差成分が総合的に合成されたＴＭＵ（Ｔｏｔａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ）である。

具体的には、各部分領域Ａ１〜Ｅ５について、ＴＩＳ、Ｒｅｐ、Ｍａｔの測定値をそれぞれＴＩＳ、Ｒｅｐ、Ｍａｔとするとき、演算部１１ａは、
ＴＭＵ＝√｛（ＴＩＳ）^２＋（Ｒｅｐ）^２＋（Ｍａｔ）^２｝・・・（数式２）
によりＴＭＵを求める。このＴＭＵは、ＴＩＳ、Ｒｅｐ、Ｍａｔのそれぞれに対応した指標である。

なお、位置合わせ測定装置が１台しかない場合、すなわち測定光学系を備える位置合わせ測定装置が１台しかない場合、Ｍａｔ＝０となるので、演算部１１ａは、
ＴＭＵ＝√｛（ＴＩＳ）^２＋（Ｒｅｐ）^２｝・・・（数式３）
によりＴＭＵを求める。

決定部１１ｂは、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のうち測定誤差（ＴＭＵ）の最も小さい部分領域を使用すべき部分領域と決定する。例えば、決定部１１ｂは、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５の測定誤差ＴＭＵ（Ａ１）〜ＴＭＵ（Ｅ５）のうちＴＭＵ（Ｅ５）が最も小さい場合、ＴＭＵ（Ｅ５）に対応した部分領域Ｅ５を使用すべき部分領域と決定する。決定部１１ｂは、使用すべき部分領域の情報を制御部１３へ供給する。

これにより、制御部１３は、使用すべき部分領域の情報を決定部１１ｂから受け、使用すべき部分領域の情報により、記憶部１３ｂに記憶された位置合わせ測定レシピを更新する。その後、測定制御部１３ａは、レイヤ間の位置合わせずれ量を測定する際に、記憶部１３ｂに記憶された更新後の位置合わせ測定レシピを参照することにより、先に決定された使用すべき部分領域（例えば、Ｅ５）に位置合わせ測定用マークが位置する（例えば、図３（ｄ）に２点鎖線で示す相対的な位置関係になる）ようにウエハーステージ１を駆動させる。これにより、測定制御部１３ａは、先に決定された使用すべき部分領域に位置合わせ測定用マークが位置するように位置合わせ測定用マークに対する測定領域の相対的な位置をシフトさせた状態で、位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を測定させる。

次に、実施形態における位置合わせ測定方法について図２を用いて説明する。図２は、実施形態における位置合わせ測定方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、制御部１３が、位置合わせ測定開始の指令を受けて、位置合わせ測定の処理を開始させる。位置合わせ測定開始の指令は、ユーザーインターフェース（図示せず）を介してユーザーから受け付けても良いし、通信インターフェース（図示せず）を介して露光装置（図示せず）のコントローラや外部のコントローラから通信回線経由で受信しても良い。

ステップＳ２では、制御部１３が、記憶部１３ｂに記憶された位置合わせ測定レシピを参照して、その位置合わせ測定レシピが初めて使用するものであるか否かを判断する。制御部１３は、初めて使用する位置合わせ測定レシピである場合（ステップＳ２でＹｅｓ）、処理をステップＳ３へ進め、初めて使用する位置合わせ測定レシピでない場合（ステップＳ２でＮｏ）、処理をステップＳ２２へ進める。

ステップＳ３では、制御部１３の測定制御部１３ａが、ノッチ（ウエハーＷＦの切り欠き部に対応したマーク）が下方の状態（０°の向き）になるようにウエハーステージ１をＺ軸回りに回転させる（図４（ａ）参照）。

ステップＳ４では、測定制御部１３ａが、ノッチが下方の状態で、測定領域内の部分領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１で繰り返し再現性を計測する。

具体的には、測定制御部１３ａは、ノッチが下方の状態で、測定領域内の部分領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するようにウエハーステージ１をＸ方向及びＹ方向に順次に移動させる。これにより、測定制御部１３ａは、位置合わせ測定用マークＡＭ１に対する測定領域の相対的な位置を順次にシフトさせながら、ノッチが下方の状態について、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を部分領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１のそれぞれごとに予め複数回測定させる。

演算部１１ａは、測定制御部１３ａにより予め複数回測定された位置合わせずれ量に基づいて、繰り返し再現性を部分領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１のそれぞれごとに求める（図５参照）。例えば、繰り返し再現性は、複数回の位置合わせずれ量の測定値のばらつきが３σ（標準偏差の３倍）で表された誤差成分であるＲｅｐ（Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ）である。演算部１１ａは、例えば、複数の部分領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１のＲｅｐ（Ａ１）、Ｒｅｐ（Ｂ１）、Ｒｅｐ（Ｃ１）、Ｒｅｐ（Ｄ１）、Ｒｅｐ（Ｅ１）をそれぞれ求めて（図５参照）処理演算装置１１の演算部１１ａへ供給する。

ステップＳ５では、測定制御部１３ａが、ノッチが下方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ６では、測定制御部１３ａが、ノッチが下方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３、Ｅ３で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ７では、測定制御部１３ａが、ノッチが下方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ｄ４、Ｅ４で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ８では、測定制御部１３ａが、ノッチが下方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ５、Ｂ５、Ｃ５、Ｄ５、Ｅ５で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ９では、測定制御部１３ａが、ノッチが下方の状態（０°の向き）から、ノッチが上方の状態（１８０°の向き）になるようにウエハーステージ１をＺ軸回りに１８０°回転させる（図４（ｂ）参照）。

ステップＳ１０では、測定制御部１３ａが、ノッチが上方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ１１では、測定制御部１３ａが、ノッチが上方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ１２では、測定制御部１３ａが、ノッチが上方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３、Ｅ３で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ１３では、測定制御部１３ａが、ノッチが上方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ｄ４、Ｅ４で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ１４では、測定制御部１３ａが、ノッチが上方の状態で、ステップＳ４と同様にして、測定領域内の部分領域Ａ５、Ｂ５、Ｃ５、Ｄ５、Ｅ５で繰り返し再現性を計測する。

ステップＳ１５では、処理演算装置１１の演算部１１ａが、ノッチが下方の状態（ステップＳ４〜Ｓ８）における位置合わせずれ量の計測結果とノッチが上方の状態（ステップＳ１０〜Ｓ１４）における位置合わせずれ量の計測結果とから、装置要因誤差を複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める（図５参照）。例えば、装置要因誤差は、光学顕微鏡におけるレンズ（図示せず）のコマ収差に関する誤差成分であるＴＩＳである。

具体的には、各部分領域Ａ１〜Ｅ５について、ノッチが下方の状態で測定された位置合わせずれ量をＥ（０）、ノッチが下方の状態からＺ軸回りに１８０°回転させた状態（ノッチが上方の状態）で測定された位置合わせずれ量をＥ（１８０）とするとき、演算部１１ａは、数式１によりＴＩＳを求める。このようにして、演算部１１ａは、例えば、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のＴＩＳ（Ａ１）〜ＴＩＳ（Ｅ５）をそれぞれ求める（図５参照）。

ステップＳ１６では、演算部１１ａが、位置合わせ測定装置が複数台あるか否かを判断する。演算部１１ａは、他の位置合わせ測定装置があるか否かの情報を、例えば、通信インターフェース（図示せず）を介して通信回線経由で他の位置合わせ測定装置へ問い合わせてその応答を受信することにより取得しても良いし、ユーザーインターフェース（図示せず）を介してユーザにより入力されることにより取得しても良い。演算部１１ａは、他の位置合わせ測定装置がない、すなわち位置合わせ測定装置が１台しかない場合（ステップＳ１６でＮｏ）、処理をステップＳ１７へ進め、他の位置合わせ測定装置がある、すなわち位置合わせ測定装置が複数台ある場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、処理をステップＳ１８へ進める。

ステップＳ１７では、演算部１１ａが、装置要因誤差（ＴＩＳ）と繰り返し再現性（Ｒｅｐ）とから、測定誤差を測定精度の判断指標として複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める（図５参照）。測定誤差は、例えば、位置合わせ測定における上記の各誤差成分が総合的に合成されたＴＭＵである。

具体的には、各部分領域Ａ１〜Ｅ５について、ＴＩＳ、Ｒｅｐの測定値をそれぞれＴＩＳ、Ｒｅｐとするとき、演算部１１ａは、数式３によりＴＭＵを求める。

ステップＳ１８では、演算部１１ａが、予め取得された基準の測定光学系（図示せず）により測定された位置合わせずれ量と、上記のように測定制御部１３ａの制御に基づいて予め測定された位置合わせずれ量とに基づいて、装置機差を複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める。基準の測定光学系は、基準の位置合わせ測定装置（１号機）に備えられた測定光学系である。基準の測定光学系により測定された位置合わせずれ量の情報は、例えば、通信インターフェース（図示せず）を介して通信回線経由で基準の位置合わせ測定装置へ問い合わせて受信することにより取得されても良いし、ユーザーインターフェース（図示せず）を介してユーザにより入力されることにより取得されても良い。

装置機差は、例えば、同じ位置合わせ測定用マークＡＭ１を測定したときの基準の測定光学系による位置合わせずれ量の測定値と測定制御部１３ａによる位置合わせずれ量の測定値との差分で表されたＭａｔである。演算部１１ａは、例えば、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のＭａｔ（Ａ１）〜Ｍａｔ（Ｅ５）をそれぞれ求める（図５参照）。

ステップＳ１９では、演算部１１ａが、装置要因誤差（ＴＩＳ）と繰り返し再現性（Ｒｅｐ）と装置機差（Ｍａｔ）とから、測定誤差を測定精度の判断指標として複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれごとに求める（図５参照）。測定誤差は、例えば、位置合わせ測定における上記の各誤差成分が総合的に合成されたＴＭＵである。

具体的には、各部分領域Ａ１〜Ｅ５について、ＴＩＳ、Ｒｅｐ、Ｍａｔの測定値をそれぞれＴＩＳ、Ｒｅｐ、Ｍａｔとするとき、演算部１１ａは、数式２によりＴＭＵを求める。

ステップＳ２０では、決定部１１ｂが、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のうち測定誤差（ＴＭＵ）の最も小さい部分領域を使用すべき部分領域と決定（判定）する。例えば、決定部１１ｂは、複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５の測定誤差ＴＭＵ（Ａ１）〜ＴＭＵ（Ｅ５）のうちＴＭＵ（Ｅ５）が最も小さい場合、ＴＭＵ（Ｅ５）に対応した部分領域Ｅ５を使用すべき部分領域とし決定する。決定部１１ｂは、使用すべき部分領域の情報を制御部１３へ供給する。

ステップＳ２１では、制御部１３が、使用すべき部分領域の情報を決定部１１ｂから受け、使用すべき部分領域の情報により、記憶部１３ｂに記憶された位置合わせ測定レシピを更新する。

ステップＳ２２では、制御部１３の測定制御部１３ａが、レイヤ間の重ね合わせずれ量を測定する際に、記憶部１３ｂに記憶された更新後の位置合わせ測定レシピを参照することにより、先に決定された使用すべき部分領域（例えば、Ｅ５）に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置する（例えば、図３（ｄ）に２点鎖線で示す相対的な位置関係になる）ようにウエハーステージ１を駆動させる。これにより、測定制御部１３ａは、先に決定された使用すべき部分領域に位置合わせ測定用マークＡＭ１が位置するように位置合わせ測定用マークＡＭ１に対する測定領域の相対的な位置をシフトさせた状態で、位置合わせ測定用マークＡＭ１の位置合わせずれ量を測定させる。

なお、以上の処理は、ショット領域ＳＨ内における複数の位置合わせ測定用マークＡＭ１〜ＡＭ８から他の位置合わせ測定用マークＡＭ２〜ＡＭ８が位置合わせ測定に使用される場合も同様である。以上の処理は、使用される位置合わせ測定用マークが変更される場合、再度行なわれる。また、以上の処理は、半導体装置の製造方法におけるリソグラフィー工程毎、位置合わせ測定装置毎、位置合わせ測定に使用されるショット領域毎、位置合わせ測定用マーク毎に行なわれる。上記のステップＳ２０で決定される使用すべき部分領域は、同じウエハー上におけるショット領域間で共通であっても良いし、互いに異なるものが混在していても良い。

ここで、仮に、図６（ａ）に示すように、ショット領域ＳＨ１００内における各位置合わせ測定用マークＡＭ１０１〜ＡＭ１０４のサイズが、光学顕微鏡７の画角に対応した、破線で示すような測定領域のサイズと同等程度である場合について考える。光学顕微鏡７のレンズのコマ収差の大きさは、図６（ｄ）に示すように、測定領域内で分布（場所依存性）を有している。例えば、図６（ｄ）に示す場合、測定領域内では、白色である右上隅から左下隅に至る領域においてコマ収差の影響が大きく、濃い灰色である右下隅又は左上隅に近づくに従って（色が濃くなるに従って）、コマ収差の影響が小さくなっている。このとき、図６（ｂ）に示すように、位置合わせ測定用マークＡＭ１０１のサイズが測定領域のサイズと同等程度であり、位置合わせ測定用マークＡＭ１０１がコマ収差の影響の大きい領域と小さい領域との双方に跨っているので、位置合わせ測定用マークＡＭ１０１を用いてレイヤ間の重ね合わせずれ量を測定した場合に、コマ収差の影響が平均化され、コマ収差が位置合わせ測定の精度に与える影響は小さい傾向にある。しかし、位置合わせ測定用マークＡＭ１０１〜ＡＭ１０４のサイズが大きいため、ショット領域ＳＨ１００内の（露光領域ＥＲ１００周辺の）スクライブラインＳＬ１００上に配置可能な位置合わせ測定用マークの個数（図６（ａ）の場合、４個）が限定される。

それに対して、第１の実施形態では、図３（ｂ）及び（ｄ）に示すように、ショット領域ＳＨ内における各位置合わせ測定用マークＡＭ１〜ＡＭ８のサイズが測定領域のサイズより大幅に小さくなっている。これにより、ショット領域ＳＨ内のスクライブラインＳＬ上に配置可能な位置合わせ測定用マークの個数（図３（ｂ）の場合、８個）を容易に増大させることができ、サンプリングポイントの多点化を実現できるので、位置合わせ測定の精度を向上できる。

あるいは、仮に、図６（ｃ）に示すように、位置合わせ測定用マークのサイズが測定領域のサイズより大幅に小さく、かつ、位置合わせ測定用マークが常に測定領域の中央に位置するようにして位置合わせ測定をする場合について考える。この場合、図６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、位置合わせ測定用マークがコマ収差の影響の大きい領域内に位置しているので、位置合わせ測定用マークを用いてレイヤ間の重ね合わせずれ量を測定した場合に、コマ収差により、位置合わせ測定用マークの光学像がシフトし、位置合わせ測定の誤差が増大する可能性がある。

それに対して、第１の実施形態では、ステップＳ１〜Ｓ１４において、測定領域内が２次元的に分割された複数の部分領域Ａ１〜Ｅ５のそれぞれに位置合わせ測定用マークが位置するように位置合わせ測定用マークと測定領域との相対的な位置を順次にシフトさせながら予備的な位置合わせ測定を行い、ステップＳ１５において、光学顕微鏡（測定光学系）７のレンズのコマ収差（特性ずれ）に関するＴＩＳ（装置要因誤差）を各部分領域Ａ１〜Ｅ５ごとに求め、ステップＳ２０において、ＴＩＳ（装置要因誤差）に対応した指標の最も小さい部分領域（例えば、Ｅ５）を使用すべき部分領域と決定し、ステップＳ２２において、ステップＳ２０で決定した部分領域に位置合わせ測定用マークが位置するようにさせた状態で、位置合わせ測定を行う。これにより、図３（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、位置合わせ測定用マークが測定領域内におけるコマ収差の影響が最も小さい部分領域に位置するようにさせた状態で、位置合わせ測定を行うことができる。この結果、位置合わせ測定用マークのサイズが測定領域のサイズより大幅に小さい場合でも、コマ収差が位置合わせ測定の精度に与える影響を低減できるので、位置合わせ測定の精度を向上できる。

また、第１の実施形態では、ステップＳ１８において、基準の光学顕微鏡（基準の測定光学系）に対する光学顕微鏡（測定光学系）７の位置合わせずれ量の測定値の差分（ずれ量）に関するＭａｔ（装置機差）を各部分領域Ａ１〜Ｅ５ごとに求めている。これにより、ステップＳ１９において、Ｍａｔ（装置機差）も加味した形でＴＭＵ（測定誤差）を求めることができるので、位置合わせ測定用マークが測定領域内におけるコマ収差及び装置機差の影響が最も小さい部分領域に位置するようにさせた状態で、位置合わせ測定を行うことができる。この結果、コマ収差及び装置機差が位置合わせ測定の精度に与える影響を低減できるので、この点からも、位置合わせ測定の精度を向上できる。

また、第１の実施形態では、ステップＳ１〜Ｓ１４において、位置合わせずれ量の測定を複数回行い、複数回の位置合わせずれ量の測定値のばらつきの３σ（位置合わせずれ量の再現性）に関するＲｅｐ（繰り返し再現性）を各部分領域Ａ１〜Ｅ５ごとに求めている。これにより、ステップＳ１９において、繰り返し再現性も加味した形でＴＭＵ（測定誤差）を求めることができるので、位置合わせ測定用マークが測定領域内におけるコマ収差及び繰り返し再現性の影響が最も小さい部分領域に位置するようにさせた状態で、位置合わせ測定を行うことができる。この結果、コマ収差及び繰り返し再現性が位置合わせ測定の精度に与える影響を低減できるので、この点からも、位置合わせ測定の精度を向上できる。

また、第１の実施形態では、位置合わせ測定装置が１台しかなくＭａｔ（装置機差）＝０とできる場合に、ステップＳ１７において、ＴＩＳ（装置要因誤差）とＲｅｐ（繰り返し再現性）とからＴＭＵ（測定誤差）を各部分領域Ａ１〜Ｅ５ごとに求め、位置合わせ測定装置が複数台ある場合、ステップＳ１９において、ＴＩＳ（装置要因誤差）とＲｅｐ（繰り返し再現性）とＭａｔ（装置機差）とからＴＭＵ（測定誤差）を各部分領域Ａ１〜Ｅ５ごとに求めている。これにより、ステップＳ２０において、装置要因誤差、繰り返し再現性、及び装置機差を総合的に考慮した形で位置合わせ測定の測定誤差を求めることができるので、位置合わせ測定用マークが測定領域内におけるコマ収差、繰り返し再現性、及び装置機差の影響が総合的に最も小さい部分領域に位置するようにさせた状態で、位置合わせ測定を行うことができる。この結果、コマ収差、繰り返し再現性、及び装置機差が位置合わせ測定の精度に与える影響を総合的に低減できるので、この点からも、位置合わせ測定の精度を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ウエハーステージ、２ ウエハーチャック、５ 光源、６ 光学ミラー、７ 光学顕微鏡、８ 光学プリズム、９ ＣＣＤ検出器、１０ 画像処理装置、１１ 処理演算装置、１１ａ 演算部、１１ｂ 決定部、１２ 駆動部、１３ 制御部、１３ａ 測定制御部、１３ｂ 記憶部、１００ 位置合わせ測定装置、Ａ１〜Ｅ１ 部分領域、ＡＭ１〜ＡＭ８、ＡＭ１０１〜ＡＭ１０４ 位置合わせ測定用マーク、ＥＲ、ＥＲ１００ 露光領域、Ｌ１Ｘ１〜Ｌ２Ｙ２ マーク、ＳＨ、ＳＨ１００ ショット領域、ＳＬ、ＳＬ１００ スクライブライン。

Claims (5)

1. 基板上に形成された位置合わせ測定用マークの光学像を測定光学系で取得することにより位置合わせずれ量を測定する位置合わせ測定方法であって、
   前記測定光学系の画角に対応した測定領域内が２次元的に分割された複数の部分領域のそれぞれに前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記位置合わせ測定用マークに対する前記測定領域の相対的な位置を順次にシフトさせながら前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を予め測定して、前記測定光学系の特性ずれに関する装置要因誤差を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求め、
   前記複数の部分領域ごとに求められた前記装置要因誤差に基づいて前記複数の部分領域のうち使用すべき部分領域を決定し、
   前記決定された前記使用すべき部分領域に前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記位置合わせ測定用マークに対する前記測定領域の相対的な位置をシフトさせた状態で前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を測定する
   ことを特徴とする位置合わせ測定方法。
2. 前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量の予めの測定では、さらに、基準の測定光学系に対する前記測定光学系のずれ量に関する装置機差を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ測定方法。
3. 前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量の予めの測定では、さらに、位置合わせずれ量を複数回測定し、位置合わせずれ量の再現性に関する繰り返し再現性を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求める
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置合わせ測定方法。
4. 前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量の予めの測定では、少なくとも前記装置要因誤差と前記繰り返し再現性とから、トータルの測定誤差を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求め、
   前記使用すべき部分領域の決定では、前記複数の部分領域のうち前記トータルの測定誤差の最も小さい部分領域を前記使用すべき部分領域と決定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の位置合わせ測定方法。
5. 基板における位置合わせずれ量を測定する位置合わせ測定装置であって、
   前記基板上に形成された位置合わせ測定用マークの光学像を取得する測定光学系と、
   前記基板を保持する基板ステージと、
   前記測定光学系の画角に対応した測定領域内が２次元的に分割された複数の部分領域のそれぞれに前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記基板ステージを駆動させることにより前記位置合わせ測定用マークに対する前記測定領域の相対的な位置を順次にシフトさせながら、前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を前記複数の部分領域のそれぞれごとに予め測定させる測定制御部と、
   前記測定制御部の制御に基づいて測定された前記位置合わせずれ量に基づいて、前記測定光学系の特性ずれに関する装置要因誤差を前記複数の部分領域のそれぞれごとに求める演算部と、
   前記複数の部分領域ごとに求められた前記装置要因誤差に基づいて前記複数の部分領域のうち使用すべき部分領域を決定する決定部と、
   を備え、
   前記測定制御部は、前記決定された前記使用すべき部分領域に前記位置合わせ測定用マークが位置するように前記基板ステージを駆動させ、前記位置合わせ測定用マークの位置合わせずれ量を測定させる
   ことを特徴とする位置合わせ測定装置。

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