JP5743958B2 - 計測方法、露光方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は計測方法、露光方法および装置に関する。

フォトリソグラフィー技術を用いて半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等のデバイスを製造する際には、フォトマスク（レチクル）のパターンの像を投影光学系によって基板（ウエハ等）に投影してパターンを転写する露光装置が使用されている。露光装置では、露光装置内のマーク検出系を用いてウエハ上のマークの位置を検出してウエハの位置合わせを行った後に、ウエハ上にすでに形成されたパターンに対して正確に重ね合わせるようにマスクのパターンの像を投影してウエハを露光する。

近年、メモリやロジックと言ったＩＣチップ以外にＭＥＭＳやＣＭＯＳイメージセンサー（ＣＩＳ）など貫通ＶＩＡ工程を使った積層デバイスが露光装置を用いて製造されている。このような積層デバイスを製造するために、ウエハの裏面側に構成されたアライメントマークの位置を検出して位置合わせを行い、その裏側の面のパターンに合わせて表側の面にパターンを露光する工程がある。そして、表面側から貫通ＶＩＡを形成し、裏面側のパターンと導通させる。そのため、表側の面のパターンと裏面のパターンの重ね合わせが所定の精度を満たすことが要求される。

特許文献１には、ウエハの表側の面に形成されたマークを可視光で検出し、ウエハの裏面に形成されたマークを赤外光で検出して、表側のマークと裏面マークの重ね合わせ検査を行うことが記載されている。より具体的には、可視光および赤外光をウエハに照射して、可視光と赤外光とを分離するダイクロイックミラー、可視光を検出する光電変換素子、赤外光を検出する光電変換素子を用いて表側面マークと裏面マークの両方を検出している。

特開２０１１−４０５４９号公報

特許文献１では、可視光と赤外光をウエハに照射すると、表側面マークも赤外光で照射することになり、表側面マークからの赤外光の回折光や散乱光が生じる。裏面マークにフォーカスを合わせると、表側面マークはデフォーカスした状態となり、表側面マークからの赤外光の回折光や散乱光が、赤外光を検出する光電変換素子に入射して、裏面マークの像のコントラストを低下させてしまう。そのため、裏面マークの検出精度が悪化する。

そこで本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされ、基板の裏面マークを高精度に検出することを目的とする。

本発明の一側面としての計測方法は、基板に形成されたマークを照射して前記マークの像を検出する検出光学系を用いて、前記基板の第１面に形成された第１マークと、前記基板の第１面とは反対側の第２面に形成された第２マークと、の相対位置を計測する計測方法であって、前記検出光学系の視野内に前記第１マークがある状態で、前記検出光学系を用いて前記基板の第１面側から前記第１マークを照射して前記第１マークの像を検出する第１工程と、前記第１工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークが配置され、前記検出光学系の視野内に前記第２マークが配置されるように、前記検出光学系の光軸方向に直交する方向における前記検出光学系と前記基板の相対位置を、前記検出光学系の視野の径の半分以上変える変更工程と、前記変更工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークがあり、且つ前記検出光学系の視野内に前記第２マークがある状態で、前記検出光学系を用いて前記基板を透過する波長の光を前記基板の第１面側から前記第２マークに照射して前記第２マークの像を検出する第２工程と、前記第１工程及び前記第２工程の検出結果を用いて、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を算出する工程とを有することを特徴とする。

本発明の一側面としてのプログラムは、基板の第１面に形成された第１マークと、前記基板の第１面とは反対側の第２面に形成された第２マークと、の相対位置をコンピュータに算出させるためのプログラムであって、前記基板に形成されたマークに光を照射して前記マークの像を検出する検出光学系の視野内に前記第１マークがある状態で、前記基板の第１面側から前記第１マークを照射して前記第１マークの像を検出するように前記検出光学系を制御する第１工程と、前記第１工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークが配置され、前記検出光学系の視野内に前記第２マークが配置されるように、前記検出光学系の光軸方向に直交する方向における前記検出光学系と前記基板の相対位置を、前記検出光学系の視野の径の半分以上変える制御をする変更工程と、前記変更工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークがあり、且つ前記検出光学系の視野内に前記第２マークがある状態で、前記基板を透過する波長の光を前記基板の第１面側から前記第２マークに照射して前記第２マークの像を検出するように前記検出光学系を制御する第２工程と、前記第１工程及び前記第２工程における前記検出光学系による検出結果を用いて、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を算出する工程とを前記コンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明によれば、基板の裏面マークを高精度に検出することができる。

露光装置の概略図である。 ウエハおよびウエハステージの上面図である。 ウエハアライメント検出系の概略図である。 従来の問題点を説明するための図である。 本実施形態におけるウエハのマークおよびパターンの図である。 本実施形態におけるウエハのマークの検出を説明するための図である。 マークの検出順序を表す図である。 ミラーによる計測誤差を説明するための図である。 ウエハが０度と１８０度の場合のマークの検出を説明するための図である。

本実施形態の計測方法、計測装置を有する露光装置について図面を用いて詳しく説明する。図１は露光装置の概略図である。

図１の露光装置は、レチクル（マスク）１を支持するレチクルステージ２、ウエハ３を支持するウエハステージ４を有する。さらに、レチクル１を露光光で照明する照明光学系５、露光光で照明されたレチクル１のパターン像をウエハ３に投影する投影光学系６、及び、露光装置全体の動作を制御する制御装置（不図示）を備えている。

露光装置としてレチクル１とウエハ３とを走査方向に互いに同期移動しつつレチクル１のパターンをウエハ３に露光する走査型露光装置（スキャニングステッパ）を使用する場合を例にして説明する。ただし、レチクル１とウエハ３を静止させてレチクルパターンをウエハ３に一括して露光するタイプの露光装置（ステッパー）にも適用できる。

以下の説明において、投影光学系６の光軸に平行な方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直な平面内でレチクル１とウエハ３との同期移動方向（走査方向）をＹ軸方向、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向（非走査方向）をＸ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわりの方向をそれぞれθＸ、θＹ及びθＺ方向とする。

レチクル１上の所定の照明領域は照明光学系５により均一な照度分布の露光光で照明される。照明光学系５から射出される露光光の光源として水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２レーザや極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光源を用いることができる。

レチクルステージ２は、レチクル１を支持するステージであって、投影光学系６の光軸に垂直な平面内、すなわちＸＹ平面内で２次元移動可能及びθＺ方向に微小回転可能である。レチクルステージ２は最低１軸駆動でも、６軸駆動でも良い。レチクルステージ２はリニアモータ等のレチクルステージ駆動装置（不図示）により駆動され、レチクルステージ駆動装置は制御装置により制御される。レチクルステージ２上にはミラー７が設けられている。また、ミラー７に対向する位置にはレーザ干渉計９が設けられており、ミラー７にレーザ光を照射して、ミラー７のＸＹ方向の位置を計測する。レチクルステージ２上のレチクル１の２次元（ＸＹ）方向の位置及び回転角はレーザ干渉計９によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御装置へ出力される。制御装置はレーザ干渉計９の計測結果に基づいてレチクルステージ駆動装置を駆動することでレチクルステージ２（レチクル１）の位置決めを行う。

投影光学系６は、レチクル１のパターンを所定の投影倍率βでウエハ３に投影する光学系であって、複数の光学素子で構成されている。本実施形態において、投影光学系６は、投影倍率βが例えば１／４あるいは１／５の縮小投影系である。

ウエハステージ４はウエハ３を支持するステージであって、ウエハ３をウエハチャックで保持するＺステージ、Ｚステージを支持するＸＹステージ、ＸＹステージを支持するベースを備えている。ウエハステージ４はリニアモータ等のウエハステージ駆動系１８により駆動される。ウエハステージ駆動系１８は制御部１７により制御される。制御部１７にはウエハステージ４や後述のアライメント検出系を制御するためのプログラムがインストールされたコンピュータを有する。

また、ウエハステージ４上にはウエハステージ４とともに移動するミラー８が設けられている。また、ミラー８に対向する位置にはレーザ干渉計１０、１２が設けられている。ウエハステージ４のＸＹ方向の位置及びθＺはレーザ干渉計１０により計測される。また、ウエハステージ４のＺ方向の位置及びθＸ、θＹはレーザ干渉計１２により計測される。計測結果は制御部１７に出力される。これらレーザ干渉計１０・１２の計測結果に基づいてウエハステージ駆動系１８を通してＸＹＺステージを駆動することでウエハ３のＸＹＺ方向における位置を調整し、ウエハステージ４に支持されているウエハ３の位置決めを行う。

レチクルステージ２の近傍には、レチクル１上のレチクル基準マーク（不図示）と投影光学系６とを通してウエハステージ４上のステージ基準プレート１１にある基準マーク３９を検出する検出系１３が設けられている。検出系１３は実際にウエハ３を露光する光源と同一の光源を用い、投影光学系６を通してレチクル１上のレチクル基準マークと基準マーク３９を照射し、その反射光を検出するための光電変換素子を搭載している。この光電変換素子からの信号をもとにレチクル１とウエハ３の位置合わせを行う。この時、レチクル基準マークとウエハステージ基準プレート１１の基準マーク３９の位置、フォーカスを合わせることで、レチクルとウエハの相対位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を合わせることができる。

また、ウエハステージ基準プレート１１の基準マーク３９は反射型でも透過型でも良い。透過型の場合、ウエハ３を露光する光源と同一の光源と照明光学系５を用い、投影光学系６を通してレチクル基準マークと透過型の基準マーク３９を照射し、透過型の基準マーク３９を透過した光を光量センサー１４を用いて検出する。この場合、ウエハステージ４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の少なくとも１方向に駆動させながら透過光の光量を測定し、レチクル基準マークとウエハ側の基準マーク３９の位置及びフォーカスの少なくとも一方を合わせることができる。

図２はウエハステージの上面図である。ウエハステージ４の１つのコーナーにあるステージ基準プレート１１は、検出系１３が検出する基準マーク３９とウエハアライメント検出系（以降、検出系）１６が検出する基準マーク４０とを備えており、ウエハ３表面とほぼ同じ高さに設置されている。図２に示すように、ステージ基準プレート１１はウエハステージ４の複数のコーナーに配置されているが、１つのステージ基準プレート１１を設け、基準マーク３９、４０を複数組含んでいても良い。基準マーク３９と基準マーク４０との位置関係（ＸＹ方向）は既知であるとする。なお、基準マーク４０と基準マーク３９は１つの共通のマークであっても良い。アライメントマーク１９は、ウエハ上の各ショット領域（斜線部）の近傍、いわゆる、スクライブラインに配置されている。

フォーカス検出系１５は検出光をウエハ３表面に投射する投射系とウエハ３からの反射光を受光する受光系とを備えており、ウエハ３表面のＺ軸方向の位置を検出する。フォーカス検出系１５の検出結果は制御装置に出力される。制御装置は、フォーカス検出系１５の検出結果に基づいてＺステージを駆動し、Ｚステージに保持されているウエハ３のＺ軸方向における位置（フォーカス位置）及び傾斜角を調整することが可能である。

検出系（検出光学系）１６は、検出光をウエハ３上のアライメントマーク１９やステージ基準プレート１１上の基準マーク４０に投射する投射系と該マークからの反射光を受光する受光系を備えており、該マークのＸＹ方向位置を検出する。検出系１６の検出結果は制御部１７に出力される。制御部１７は、検出系１６の検出結果に基づいてウエハステージ４をＸＹ方向に駆動することで、ウエハステージ４に保持されているウエハ３のＸＹ方向における位置決めを行うことが可能である。

また、検出系１６にはフォーカス検出系（ＡＦ検出系）４１が搭載されており、フォーカス検出系１５と同じく検出光をウエハ３表面に投射する投射系とそのウエハ３からの反射光を受光する受光系とを備えている。フォーカス検出系１５は投影光学系６のベストフォーカス合わせに用いるのに対して、ＡＦ検出系４１は検出系１６のベストフォーカス合わせに用いる。

ウエハアライメント検出系の形態としては２つの方法に大別される。１つ目は投影光学系を介さず個別に構成されていて、ウエハ上のアライメントマークを光学的に検出する所謂オフアクシスアライメント検出系（Ｏｆｆ−ａｘｉｓ ＡＡ（ＯＡ検出系））である。２つ目はＴＴＬ−ＡＡ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓアライメント）方式と呼ばれる投影光学系を介して非露光光の波長を用いてウエハ上のアライメントマークを検出する方法がある。本実施形態ではＯＡ検出系を用いて説明するが、これに限定されるものではない。

図３に検出系１６の詳細図を示す。照明光源２０は、赤外光（例えば、１０００〜１５００ｎｍ）及び可視光（例えば、４００〜８００ｎｍ）を発生する光源である。照明光源２０からの光がファイバ等で導光され、第一リレー光学系２１、波長フィルタ２２、第二リレー光学系２３を通り、検出系１６の瞳面（物体面に対する光学的なフーリエ変換面）に相当する位置の開口絞り２４に到達する。開口絞り２４でのビーム径は照明光源２０のビーム径よりも小さいものとなる。

波長フィルタ板２２には透過波長帯の異なる複数のフィルタが挿入されており、制御装置からの命令でフィルタの切換を行う。また、開口絞り２４には開口径の異なる複数の絞りが用意されており、制御装置からの命令で開口絞りの切換を行うことで、照明σを変更することができる。

波長フィルタ２２と開口絞り２４には予め複数のフィルタと絞りが備えられているが、新たに追加でフィルタと絞りを構成することも可能な機構となっている。本実施形態では、波長フィルタ２２は、可視光を透過する可視光用のフィルタと赤外光を透過する赤外光用のフィルタを含み、これらのフィルタを切り替えることにより、ウエハ３や基準プレート１１などの被検物に導光する光の波長を選択できる。

開口絞り２４まで到達した光は光学系２５、２７を通って偏光ビームスプリッター２８に導かれる。偏光ビームスプリッター２８により反射された紙面に垂直なＳ偏光光は、ＮＡ絞り２６、λ／４板２９を透過して円偏光に変換され、対物レンズ３０を通ってウエハ３上に形成されたアライメントマーク１９を照明する。照明光は図１中の実線で示す。照明光のＮＡは、ＮＡ絞り２６は絞り量（開口径）を変えることで変えることができる。ＮＡ絞り２６の絞り量は制御装置からの命令で変更できる。

アライメントマーク１９から発生した反射光、回折光、散乱光（図１中の１点波線）は、対物レンズ３０、λ／４板２９を通って紙面に平行なＰ偏光に変換され、ＮＡ絞り２６、偏光ビームスプリッター２８を透過する。そして、リレーレンズ３１、第一結像光学系３２、コマ収差調整用光学部材３５、第二結像光学系３３、波長シフト差調整用光学部材３８によって、アライメントマーク１９の像が光電変換素子３４上に形成される。

通常、上記のような検出系１６により、ウエハ３上のアライメントマーク１９を観察して位置を検出する場合、マーク上部に塗布或いは形成された透明層のため、単色光又は狭い波長帯域の光では干渉縞が発生してしまう。そのため、マークの信号に干渉縞の信号が加算された状態で検出され、高精度に検出できなくなる。従って、一般的にこうした検出系１６の照明光源２０としては、広帯域の波長を持つものが使用され、干渉縞の少ない信号として検出する。

次に、裏面アライメントについて説明する。まず、ウエハ上に回路パターンと、重ね合わせずれ量を計測するためのアライメントマークとを露光して形成する。次に、ウエハを裏返し、検出系１６からみて表面（おもてめん）側（第１面側）から検出系１６を用いてそのアライメントマーク（第２マーク）の位置を検出する。そして、その検出結果を用いて、第１面とは反対側の第２面（検出系１６からみた裏面）の第２マーク（裏面マーク）やパターンに対して第１面の位置合わせを行う。その後、ウエハの第１面に回路パターンとずれ量を計測するための第１マーク（表側面マーク）を露光して形成する。マークを形成した後は、表側面のパターンと裏面のパターンの重ね合わせが所定の精度を満たすかどうか検査するため、表側面マークと裏面マークとを用いてウエハ表側面と裏面の重ね合わせ検査を行う。

従来のウエハ表側面と裏面の重ね合わせ検査における問題を説明する。図４（ａ）は、ウエハ表側面にインナーマーク４９が形成され、ウエハ裏面にアウターマーク４８が形成されたウエハ３の断面模式図を示している。図４（ｂ）はアウターマーク４８を検出するためにウエハに赤外光４３を照射した状態を表す。図４（ｂ）のようにアウターマーク４８に検出系１６のフォーカスを合わせるとウエハ表側面にはフォーカスが合わない事が分かる。図４（ｂ）の状態で、図４（ａ）のマークを観察した画像を示したものが図４（ｃ）である。ウエハ裏面に検出系１６のフォーカスが合っている為、アウターマーク４８の像のコントラストが比較的高いが、ウエハ表側面にあるインナーマーク４９はデフォーカスしておりボケている事が分かる。また、インナーマーク４９のデフォーカスの影響でアウターマーク４８の像のコントラストも低下する。インナーマーク４９に光が照射され、インナーマーク４９からの回折光や散乱光が生じるためである。

このように、ウエハ裏面のアウターマーク４８を計測しようとしても、ウエハ表側面のインナーマーク４９のデフォーカス光の影響で、ウエハ裏面のアウターマーク４８の検出精度が低下する。したがって、ウエハ裏面のアウターマーク４８とウエハ表側面のインナーマーク４９を検出系１６の視野４７内に同時に入れて検出しない方が良い事が分かる。

次に、本実施形態における重ね合わせずれの計測を説明する。まず、表裏面のマークと回路パターンについて模式図の図５（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図５（ａ）は、ウエハの第２面７１に第２回路パターン５９、６０とずれ量を計測するための第２マーク５０が形成された状態を示す図である。マークやパターンは露光処理によって形成される。この状態のウエハの厚み６１は１２インチウエハでは約７７５μｍなどである。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の第２面７１に第２回路パターン５９、６０と第２マーク５０が形成されたウエハを裏返し、ウエハを薄化した状態を示した図である。図５（ｂ）では、ウエハの厚み６２は例えば１００μｍなど、図５（ａ）よりも薄くなるようにグラインドされる。図５（ｂ）で示したウエハの厚み６２は１００μｍに限らず、製品によっては５０μｍなどともっと薄い場合や１５０μｍなどともっと厚い場合もある。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）で薄化したウエハ３に対して、検出系１６からみた表側面である第１面７２に、アライメントマークである第１マーク（以降、表面（おもてめん）マーク）５１が形成されている状態を示した図である。表面マーク５１は、検出系１６の視野６４の中に含まれるサイズである。図５（ｃ）の第２面７１（裏面）にある第２回路パターン５９、６０は、表面マーク５１の直下にあり、表面マーク５１を検出系１６が視野６４で検出する際には、Ｚ方向の高さは異なるが、視野６４内に含まれている事が分かる。表側から赤外光で表面マーク５１を観察すると、赤外光はＳｉウエハを透過する為、表面マーク５１の下面にある第２回路パターン５９、６０からの反射光、回折光、散乱光といったノイズ成分となる光も同時に検出してしまう。第２回路パターン５９、６０からのノイズ成分の光が入ってくると、表面マーク５１のコントラストが低下する為、表面マーク５１の計測精度が低下する。その為、本実施形態では表面マーク５１に対しては、赤外光ではなく可視光で検出する。図５（ｃ）の第１マーク５１を可視光で計測すると、可視光はウエハ３を透過しない為、表面マーク５１の直下にある第２回路パターン５９、６０まで光が届かずノイズ成分となる光が発生しない。その為、表面マーク５１を高コントラストで高精度に検出する事が可能となる。

図５（ｄ）は第１面７２（表側面）に、表面マーク５１のほかに第１回路パターン６３が形成された状態を示した図である。第１面において、表面マーク５１および第１回路パターン６３が、検出系１６からみた裏面である第２面７１にある第２マーク（以降、裏面マーク）５０と対向する位置には形成されていない。表面マーク５１および第１回路パターン６３は、裏面マーク５０を検出系１６が表側（第１面側）から検出する際の視野６５の内に入らないように配置されている。つまり、ウエハ表側面において、裏面マークに対向する位置を含む検出系１６の視野と同じ大きさの範囲内に表面マーク及びパターンが形成されないように、表側面に表面マーク及びパターンを形成している。したがって、裏面マーク５０を検出系１６が検出する際には、ウエハ３の表側面には回路パターンおよびマークがない為、パターンおよびマークからの反射光、回折光、散乱光といったノイズ成分が発生しない。そのため、高コントラストで高精度に裏面マーク５０を検出する事が可能となる。

次に、表側面マークと裏面のマークの相対位置の計測（重ね合わせずれ計測）方法について、模式図である図６（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。当該方法は制御部１７のコンピュータインストールされたプログラムを実行し、コンピュータがステージや検出系の制御を行うことによって実行される。

図６（ａ）は、説明を簡単にするため、裏面マーク５０と表面マーク５１のみを示した模式図である。裏面マーク５０と表面マーク５１のＸ方向の位置（座標）が設計値ベースでマークＸ差５２だけ異なるように、裏面マーク５０と表面マーク５１が形成される。図６（ｂ）、（ｃ）は検出系１６のフォーカスの状態を表す図である。図６（ｄ）は裏面マーク５０と表面マーク５１を含むウエハの上面図と検出系１６の視野を表す図である。

まず、裏面マーク５０が検出系１６の視野６５内に入るように、制御部１７によりウエハステージ４を制御してウエハ３を移動し、図６（ｂ）に示すようにウエハ裏面側に検出系１６のフォーカスを合わせる。その際、図６（ｄ）に示すように裏面マーク５０を検出系１６が検出する際の視野外へ表面マーク５１を配置し、視野内に表面マーク５１が入らないようにする。そして、検出系１６は、表側から裏面マーク５０にウエハを透過する赤外光４３を照射して、裏面マーク５０の像を検出する（第１工程）。マークの位置はレーザ干渉計１０を用いて検出される。制御部１７は、検出系１６およびレーザ干渉計１０からの検出結果を取得し、裏面マークの位置を求める。なお、検出系１６の視野内に裏面マーク５０と表面マーク５１の両方が入らないようにするためには、裏面マーク５０と表面マーク５１との設計値ベースのマークＸ差５２がその視野の大きさ（径）の半分以上である事が必要である。

次に、設計値ベースのマークＸ差５２だけウエハステージ４をＸ方向に駆動し、表面マーク５１が検出系１６の視野６５内に入るように制御する。そして、図６（ｃ）に示すようにウエハ表面側に検出系１６のフォーカスを合わせる。検出系１６の光軸方向におけるウエハの位置をウエハステージで調整してもよいし、検出系１６の焦点位置を調整してもよい。検出系１６は、表側から表面マーク５１にウエハを透過しない光（可視光など）を照射して、表面マーク５１の像を検出する（第２工程）。制御部１７は、検出系１６およびレーザ干渉計１０からの検出結果を取得し、表面マーク５１の位置を求める。このように、裏面マーク５０を計測する時と表面マーク５１を計測する時とで、検出系１６の光軸方向の位置（ウエハステージのＺ方向の位置）や検出波長を変える。

制御部１７のコンピュータ（演算部）は、このようにして検出された裏面マーク５０の位置と表面マーク５１の位置とを用いて、これらを引き算することにより表面マーク５１と裏面マーク５０の相対位置を算出する。さらに、算出された相対位置と設計値ベースのマークＸ差５２の差分をとることにより、表面マーク５１と裏面マーク５０の重ね合わせずれ量を算出する。つまり、重ね合わせずれ量＝｛（裏面マーク５０の検出値）−（表面マーク５１の検出値）｝−設計値ベースのマークＸ差５２、を計算する。このように、裏面マーク５０の位置を高精度に検出することにより、高精度な重ね合わせ検査を実現できる。さらに、算出された重ね合わせずれ量を次のウエハアライメント制御に反映させて、ウエハをアライメントしてウエハを露光することにより、重ね合わせずれを低減することができる。

なお、検出系１６の視野を固定してマークが視野内に配置されるようにウエハステージ４を移動したが、視野内にマークが入るように検出系１６の視野を移動してもよい。また、検出系１６の視野の大きさや形状を視野絞りを用いて変更してもよい。例えば、裏面マーク５０を検出系１６が検出する際に、視野絞りの開口径を小さくすることで視野の大きさを小さくし、表面マーク５１が視野内に入らないようにすることもできる。また、裏面マーク５０を検出系１６が検出する際に、表面マーク５１からの光が光電変換素子３４に入らないように検出系１６の任意の場所に遮光板を配置してもよい。それにより、裏面マーク５０を検出系１６が検出する際に、表面マーク５１からの散乱光などのノイズ成分を低減することができる。

表面マーク５１にはウエハ非透過光を使い、裏面マーク５０にはウエハ透過光を使う為に、表側面と裏面の観察波長毎にオフセットが生じる。そのため、表側面と裏面の観察波長毎に生じるオフセットを予め取得し、マークの検出値をそれぞれのオフセットで補正することもできる。波長毎のオフセットは、例えば、図４のステージ基準プレート１１に配置された基準マーク４０をウエハ透過光とウエハ非透過光で計測し、波長差オフセットを算出する。このように、ウエハ透過光とウエハ非透過光とで共通のマークを用いることで、マークの形状などに起因する誤差が発生しない。

また、マーク５０、５１は、重ね合わせを検査するための専用のマークではなく、ウエハ（ショット領域）をアライメントして露光するためのアライメントを兼用するアライメントマークでもよい。従来の重ね合わせ検査では、図４（ａ）、（ｃ）に示すようにボックスインボックスタイプの重ね合わせ検査専用のマークを使用していた。本実施形態では、図６（ｄ）に示すマーク５０、５１のように、４本ラインタイプなどの通常のウエハアライメントマークを用いた。これにより、通常のウエハ露光の位置合わせに使うウエハアライメントマークと、重ね合わせ検査のマークを共通化する事で、マーク差の影響を回避する事が可能となり、高精度な重ね合わせ検査を実現できる。なお、マーク５０、５１同士は、異なる形状のマークでも良いし、同じ形状のマークでも良い。なお、マーク５０、５１はＸ方向に設計値ベースのマークＸ差があるとして説明したが、Ｙ方向であっても良い。

また、重ね合わせずれを計測するために、ウエハ上にある複数のショットに対応するアライメントマークを検出してもよい。この場合、ウエハのＺ方向位置（アライメント検出系の光軸方向位置）を変えずにウエハ裏面にあるマークを複数ショット分計測する。その後、ウエハステージをＺ方向に駆動して、検出系１６のフォーカスをウエハ表側面に合わせ、ウエハのＺ方向位置を変えずにウエハ表側面にあるマークを複数ショット分計測する。これによって、ウエハステージのＺ方向の駆動回数が１回となり、１ショットに対する裏面マークと表側面マークの計測ごとにウエハステージをＺ方向に駆動する場合に比べて短時間に計測することができ、スループットが向上することになる。

例えば、４ショットでの重ね合わせ計測シーケンスを図７を用いて説明する。図７（ａ）は、アライメントマークを計測するショットのシーケンスを示したもので、○で囲ったアライメントマーク４カ所を矢印（→）の順序で計測している。まず、ウエハ裏面マークに対して図７（ａ）に示した矢印のシーケンスで４ショットの計測を行い、４ショットの計測が終わったら、次にウエハステージをＺ方向に駆動し、ウエハ表側面マークに対して検出系１６のフォーカスを合わせる。そして、ウエハ表側面マークに対しても、図７（ａ）のショットのシーケンスで計測する。このように、ウエハの裏面マークと表側面マークの検出順序を同一（共通）にすることで、ステップ方向差による誤差を小さくすることができる。例えば、ウエハの裏面マークと表側面マークの検出順序が図７（ａ）と図７（ｂ）のように異なると、ステップ方向差による誤差が発生し、ウエハの裏面マークと表側面マークの重ね合わせ計測の誤差となる。なお、４ショットの検出順序で示しているが、重ね合わせ検査は全ショット計測を行っても良い。
また、上述の説明では、ウエハ裏面マークの計測を先に行ってウエハ表側面マークの検出を後で行っているが、ウエハ表側面マークの検出を先に行ってウエハ裏面マークの検出を後で行ってもよい。つまり、検出系１６はウエハの第１面側から表面マーク５１（第１マーク）に光を照射して、表面マーク５１を検出する。表面マーク５１を検出した後、表面マーク５１が検出系１６の視野６５外に配置され、裏面マーク５０が検出系１６の視野６５内に入るように、ウエハステージ４を制御する。ウエハ裏面側に検出系１６のフォーカスを合わせる。検出系１６の光軸方向におけるウエハの位置をウエハステージで調整してもよいし、検出系１６の焦点位置を調整してもよい。そして、検出系１６は、表側から裏面マーク５０にウエハを透過する光を照射して、裏面マーク５０の像を検出する。制御部１７は、検出系１６およびレーザ干渉計１０からの検出結果を取得し、表面マーク５１の位置を求める。制御部１７のコンピュータ（演算部）は、このようにして検出された表面マーク５１の位置と裏面マーク５０の位置とを用いて、表面マーク５１と裏面マーク５０の相対位置を算出する。

また、ウエハステージのＺ位置毎に異なるステージ補正データを使い、マークの検出位置やウエハステージの位置を補正することもできる。図８は、ウエハの裏面マーク５０と表面マーク５１を検出系１６で検出する際の、ミラー８へのレーザ干渉計１０からのレーザ光の当たり方を示した図である。図８（ａ）は、検出系１６が裏面マーク５０にフォーカスを合わせた状態で、裏面マーク５０を赤外光４３で検出している図である。この時、レーザ干渉計１０からのレーザ光５３は、ウエハステージ上ミラー８の中心から下にある部分に当たっている。図８（ｂ）は、検出系１６が表面マーク５１にフォーカスを合わせた状態で、可視光４２で表面マーク５１を計測している図である。この時、レーザ干渉計１０からのレーザ光５４は、ミラー８の中心から上にある部分に入射している。つまり、裏面マーク５０を計測する時と表面マーク５１を計測する時では、レーザ光がミラー８に入射する位置が異なる。

ミラー８は変形の小さい材質で作られているが、ミラーの反射面の凹凸や平面度のバラツキなどが有るため、ミラー８に入射するレーザ光の位置の変化により検出誤差が生じる。例えば、図８では、レーザ干渉計１０によるＹ方向位置の検出誤差が生じる。そのため、ウエハステージをＺ方向に移動して、レーザ干渉計１０による計測を行って、ウエハステージのＺ方向位置に応じた、Ｙ方向位置の検出値の補正データを予め作成する。そして、その補正データを用いて、レーザ干渉計１０による検出結果を補正（校正）する。また、補正データを用いてウエハステージを駆動することでウエハ３のアライメントの調整もできる。これによって、マークの位置を高精度に求めることができ、また、ウエハステージを高精度に制御することができる。なお、ミラー８に当たるレーザ光の位置は上記の例に限らず、例えば、ウエハ裏面計測とウエハ表側面計測で、ウエハステージ上ミラー８に当たるレーザ光の位置が両方ともミラー中心から下半分であっても適用できる。

また、裏面マーク５０と表面マーク５１を計測する際には、ウエハが０度と１８０度の２つの状態で計測する事で、ウエハステージのＺ方向駆動により生じるＸまたはＹ方向ずれを低減することもできる。

図９（ａ）、（ｂ）は、設計値ベースのマークＸ差５２だけ離れた裏面マーク５０と表面マーク５１があり、検出系１６がそれぞれのマークにフォーカスを合わして、計測している状態を示している。この状態でのウエハの角度を０度と定義する。

この時の裏面マーク５０と表面マーク５１の重ね合わせずれ量は、図９（ａ）の裏面マーク５０の計測値と図９（ｂ）の表面マーク５１の計測値の差分を算出し、そこから設計値ベースのマークＸ差５２を引いた値となる。図９（ａ）、（ｂ）より算出される重ね合わせずれ量を５６とすると、ウエハ０度で計測した重ね合わせずれ量５６＝｛（裏面マーク５０の検出値）−（表面マーク５１の検出値）｝−設計値ベースのマークＸ差５２、となる。ここでは、設計値ベースのマークＸ差５２も、ウエハが０度の場合における裏面マーク５０の位置−表面マーク５１の位置として計算される。

この重ね合わせずれ量は、ウエハステージのＺ方向の駆動により生じるマーク位置の検出誤差の影響を受けてしまう。図９（ｃ）はウエハステージＺ駆動により生じる、ウエハステージのＹ方向のずれ量５５について説明するための図である。例えば、ウエハステージをある基準となるＺ位置（０μｍ）から、＋１００μｍ駆動させる事を考える。この時、理想的には、裏面マーク５０は真上に移動するだけで、Ｙ方向に位置ずれは生じない事が望ましいが、現実には、ステージＺ駆動により生じるずれ量５５の分だけ位置ずれが生じてしまう。これは、ウエハステージをＺ方向に駆動させる際に、わずかな傾きθを持ってＺ方向に駆動する為に生じてしまう。ウエハの表裏面を重ね合わせ検査する際には、ウエハステージのＺ駆動量が図９（ｃ）のように１００μｍなどと大きい量である為に、傾きθが小さな量であっても、ステージＺ駆動により生じるずれ量５５は大きくなってしまう。例えば、傾きθが１ｍｒａｄという小さな量であっても、１ｍｒａｄ×１００μｍ＝１００ｎｍと非常に大きなずれ量が生じる事となる。つまり、算出された重ね合わせずれ量５６には、真の重ね合わせずれ量にステージＺ駆動により生じるずれ量５５が含まれている。式で表すと、ウエハ０度で計測した重ね合わせずれ量５６＝真の重ね合わせずれ量＋ステージＺ駆動により生じるずれ量５５、となる。

図９（ｄ）、（ｅ）は、図９（ａ）、（ｂ）の状態のウエハを、ウエハ面（基板面）の法線方向の軸を回転軸として、その回転軸まわりに１８０度回転した場合のウエハの状態を示す図である。このように、ウエハを１８０度回転させた状態で、裏面マーク５０と表面マーク５１をそれぞれのフォーカス位置で検出する事で、重ね合わせずれ量５７を算出する。式で表すと、ウエハ１８０度で計測した重ね合わせずれ量５７＝｛（裏面マーク５０の検出値）−（表面マーク５１の検出値）｝−設計値ベースのマークＸ差５２、となる。ここでは、設計値ベースのマークＸ差５２も、ウエハが１８０度の場合における裏面マーク５０の位置−表面マーク５１の位置として計算される。

ウエハが１８０度回転した状態での計測である為、重ね合わせずれ量は、ウエハが０度の場合に対して符号が反転する。図９（ｆ）、（ｇ）は、ウエハが０度と１８０度の状態で裏面マーク５０と表面マーク５１を観察した時のＸＹ座標系での状態を示した図である。図９（ｆ）は、図９（ａ）、（ｂ）で示したウエハが０度の状態でのマーク観察をＸＹ座標系で示しており、図９（ｇ）は図９（ｄ）、（ｅ）で示したウエハが１８０度回転の状態でのマーク観察をＸＹ座標系で示している。ウエハ０度の時の重ね合わせずれ量５６の計算では、表面マーク５１の計測値の方が値が大きい為、（裏面マーク５０の計測値）−（表面マーク５１の計測値）はマイナスになる事が図９（ｆ）より分かる。ウエハが１８０度の時の重ね合わせずれ量５７の計算では、裏面マーク５０の計測値の方が値が大きい為、（裏面マーク５０の計測値）−（表面マーク５１の計測値）はプラスになる事が図９（ｇ）より分かる。真の重ね合わせずれ量についても同様である。

重ね合わせずれ量５７にも、図９（ｃ）で示したステージＺ駆動により生じる位置ずれ量５５が含まれる。式で表すと、ウエハ１８０度で計測した重ね合わせずれ量５７＝真の重ね合わせずれ量＋ステージＺ駆動により生じるずれ量５５、となる。ウエハが０度と１８０度とでは、真の重ね合わせずれ量は符号が反転しており、ステージＺ駆動により生じるずれ量５５は同符号である。そのため、真の重ね合わせずれ量は、ウエハ０度と１８０度の状態で算出された重ね合わせずれ量５６と５７の差分を半分にする演算を行うことによって算出する事ができる。式で表すと、真の重ね合わせずれ量＝｜（重ね合わせずれ量５６−重ね合わせずれ量５７）／２｜、となる。これにより、重ね合わせずれ量５６と５７に含まれるステージＺ駆動により生じるずれ量５５をキャンセルする事が可能となり、ステージＺ駆動による誤差を含まない、高精度な重ね合わせ検査を実現する事ができる。

なお、これまで基板をＳｉウエハとして説明したが、これに限らない。例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）やドーパントＳｉなどの材料の基板を用いてもよい。また、ウエハアライメント検出系はウエハの上側にあっても下側にあってもよい。

次に、本実施形態の露光装置を用いたデバイス（液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。

上述の露光装置を利用したデバイス製造方法は、液晶表示デバイスの他に、例えば、半導体デバイス等のデバイスの製造にも好適である。前記方法は、感光剤が塗布された基板を、上記の露光装置を用いて露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程とを含みうる。さらに、前記デバイス製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (15)

1. 基板に形成されたマークに光を照射して前記マークの像を検出する検出光学系を用いて、前記基板の第１面に形成された第１マークと、前記基板の第１面とは反対側の第２面に形成された第２マークと、の相対位置を計測する計測方法であって、
   前記検出光学系の視野内に前記第１マークがある状態で、前記検出光学系を用いて前記基板の第１面側から前記第１マークを照射して前記第１マークの像を検出する第１工程と、
   前記第１工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークが配置され、前記検出光学系の視野内に前記第２マークが配置されるように、前記検出光学系の光軸方向に直交する方向における前記検出光学系と前記基板の相対位置を、前記検出光学系の視野の径の半分以上変える変更工程と、
   前記変更工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークがあり、且つ前記検出光学系の視野内に前記第２マークがある状態で、前記検出光学系を用いて前記基板を透過する波長の光を前記基板の第１面側から前記第２マークに照射して前記第２マークの像を検出する第２工程と、
   前記第１工程及び前記第２工程の検出結果を用いて、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を算出する工程とを有することを特徴とする計測方法。
2. 前記第２工程において、前記検出光学系の視野内の前記第１面にはパターン及びマークがないことを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
3. 前記第１工程において前記第１マークに前記検出光学系のフォーカスが合うように、および、前記第２工程において前記第２マークに前記検出光学系のフォーカスが合うように、前記検出光学系の光軸方向における前記基板の位置を前記第１工程と前記第２工程とで変えることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測方法。
4. 基板面の法線方向の軸を回転軸として前記基板の回転角が０度と１８０度の場合に前記第１工程及び前記第２工程を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の計測方法。
5. 前記第１工程及び前記第２工程において、前記基板を移動するステージに設けられたミラーへ光を入射させる干渉計を用いてマークの位置を検出し、
   前記ミラーに入射する光の位置が変化することによって生じるマーク位置の検出誤差を補正するための補正データを予め取得する工程を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の計測方法。
6. 前記第１工程において、前記基板を透過しない波長の光を前記基板の第１面側から前記第１マークを照射して前記第２マークの像を検出し、
   前記基板を透過しない波長と前記基板を透過する波長との波長差によって生じるマークの位置の波長差オフセットを予め取得する工程を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の計測方法。
7. 前記基板を透過しない波長と前記基板を透過する波長とで同一のマークを照射することによって、前記波長差オフセットを取得することを特徴とする請求項６に記載の計測方法。
8. 前記第１工程において、前記検出光学系の光軸方向における前記基板の位置を変えずに、基板の第１面に形成された複数のショットに対応する複数の第１マークの像を検出し、前記第２工程において、前記検出光学系の光軸方向における前記基板の位置を変えずに、基板の第２面に形成された複数のショットに対応する複数の第２マークの像を検出することを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
9. 前記複数のショットに対応する前記複数の第１マークの検出順序と、前記検出された前記複数の第１マークにそれぞれ対応する前記複数の第２マークの検出順序は同一であることを特徴とする請求項８に記載の計測方法。
10. 前記基板の第１面において、前記第２マークに対向する位置を含む前記検出光学系の視野と同じ大きさの範囲内に前記第１マーク及びパターンが形成されないように、前記第１面に前記第１マーク及びパターンを露光して形成する形成工程と
    前記形成工程の後、請求項１乃至９の何れか１項に記載の計測方法を実行する工程とを有することを特徴とする露光方法。
11. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の計測方法により前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を算出し、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置の設計値及び該算出された相対位置を用いて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する工程と、
    算出された重ね合わせずれ量を用いて前記基板のアライメントを行って前記基板を露光する工程とを有することを特徴とする露光方法。
12. 基板の第１面に形成された第１マークと、前記基板の第１面とは反対側の第２面に形成された第２マークと、の相対位置をコンピュータに算出させるためのプログラムであって、
    前記基板に形成されたマークに光を照射して前記マークの像を検出する検出光学系の視野内に前記第１マークがある状態で、前記基板の第１面側から前記第１マークを照射して前記第１マークの像を検出するように前記検出光学系を制御する第１工程と、
    前記第１工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークが配置され、前記検出光学系の視野内に前記第２マークが配置されるように、前記検出光学系の光軸方向に直交する方向における前記検出光学系と前記基板の相対位置を、前記検出光学系の視野の径の半分以上変える制御をする変更工程と、
    前記変更工程後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークがあり、且つ前記検出光学系の視野内に前記第２マークがある状態で、前記基板を透過する波長の光を前記基板の第１面側から前記第２マークに照射して前記第２マークの像を検出するように前記検出光学系を制御する第２工程と、
    前記第１工程及び前記第２工程における前記検出光学系による検出結果を用いて、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を算出する工程とを前記コンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
13. 基板の第１面に形成された第１マークと、前記基板の第１面とは反対側の第２面に形成された第２マークと、の相対位置を計測する計測装置であって、
    前記基板に形成されたマークに光を照射して前記マークの像を検出する検出光学系と、
    前記検出光学系を用いて検出された結果を用いて演算を行う演算部とを有し、
    前記検出光学系は、
    前記検出光学系の視野内に前記第１マークがある状態で、前記検出光学系を用いて前記基板の第１面側から前記第１マークを照射して前記第１マークの像を検出し、
    前記第１マークの像を検出した後、前記検出光学系の視野外に前記第１マークが配置され、前記検出光学系の視野内に前記第２マークが配置されるように、前記検出光学系の光軸方向に直交する方向における前記検出光学系と前記基板の相対位置を、前記検出光学系の視野の径の半分以上変えた状態で、
    前記基板を透過する波長の光を前記基板の第１面側から前記第２マークに照射して前記第２マークの像を検出し、
    前記演算部は、前記検出光学系による検出結果を用いて、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を算出することを特徴とする計測装置。
14. 基板を露光する露光装置であって、請求項１３に記載の計測装置を有し、
    前記計測装置により算出された前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を用いて前記基板のアライメントを行って前記基板を露光することを特徴とする露光装置。
15. 請求項１４の露光装置を用いて前記基板を露光するステップと、
    該露光された基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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