JP6120967B2 - 微細構造の非対称性を測定する方法及び装置、位置測定方法、位置測定装置、リソグラフィ装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
[0001] 本出願は、２０１２年８月１６日出願の米国仮出願第６１／６８４，００６号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0002] 本発明は、微細構造の非対称性の測定に関する。本発明は、基板上のマークの位置を測定する改良型の装置及び方法に適用されることが可能である。本発明のその他の態様は、リソグラフィ装置及びデバイス製造方法、さらに光学要素を提供する。

[0003] リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板に、通常は基板のターゲット部分に適用する機械である。リソグラフィ装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）の製造に使用可能である。このような場合、代替的にマスク又はレチクルとも呼ばれるパターニングデバイスを使用して、ＩＣの個々の層上に形成すべき回路パターンを生成することができる。このパターンを、基板（例えばシリコンウェーハ）上のターゲット部分（例えば１つ又は幾つかのダイの一部を含む）に転写することができる。パターンの転写は通常、基板に設けた放射感応性材料（レジスト）の層への結像により行われる。一般的に、１枚の基板は、順次パターンが与えられる隣接したターゲット部分のネットワークを含んでいる。従来のリソグラフィ装置は、パターン全体をターゲット部分に１回で露光することによって各ターゲット部分が照射される、いわゆるステッパと、基板を所与の方向（「スキャン」方向）と平行あるいは逆平行に同期的にスキャンしながら、パターンを所与の方向（「スキャン」方向）に放射ビームでスキャンすることにより、各ターゲット部分が照射される、いわゆるスキャナと、を含む。パターンを基板にインプリントすることによっても、パターニングデバイスから基板へとパターンを転写することが可能である。

[0004] リソグラフィプロセスを制御してデバイスフィーチャを基板上に正確に配置するために、基板上には一般的にアライメントマークが提供され、リソグラフィ装置は、基板上のマークの位置を正確に測定するための１つ以上のアライメントセンサを含む。これらのアライメントセンサは実際には位置測定装置である。様々な時期及び様々な製造業者からの様々なタイプのマーク及び様々なタイプのアライメントセンサが知られている。現在のリソグラフィ装置で広く使用されているタイプのセンサは、米国特許第６９６１１１６号明細書（den Boef他）に記載の自己参照干渉計に基づいている。一般的に、マークは別々に測定されてＸ及びＹ座標の位置が得られる。しかしながら、公開特許出願ＵＳ２００９／１９５７６８Ａ号（Bijnen他）に記載のＸ及びＹ座標の組み合わせ測定も実行できる。上記出願の両方の内容は参照により本明細書に組み込まれている。

[0005] 製品フィーチャが微細化するにつれて、特にオーバレイエラーを制御するために、より正確な位置測定を提供する必要が絶えず生じている。アライメントのエラーの１つの原因は、例えば、後続の製品層を塗布する処理に起因する可能性があるマークを構成するフィーチャの非対称性である。微細構造の非対称性とその他のパラメータとを測定することができるスキャトロメータなどのメトロロジーツールが存在する。これらは、原則的に、非対称性又はその他のパラメータを測定し補正するために適用可能である。しかしながら、実際には、それらは大量のリソグラフィ生産のためのアライメントタスクで要求される高いスループットで動作しない。また、それらは、容積、質量又はワット損に関するアライメント環境に不適合である。

[0006] より広義の態様では、本発明の目的は、微細構造の非対称性（又はより一般的には非対称性依存パラメータ）の測定の代替方法及び装置を提供することである。

[0007] 本発明の目的は、別の態様では、改良型の位置測定装置、例えば、位置の測定に対するマークの非対称性の影響を補正することができるリソグラフィ装置内のアライメントセンサを提供することである。その点に関して、本発明者らは、アライメントシステムのスループットを過度に低下させることなく、アライメントマークからの位置測定と同時に行うアライメントマークの非対称性の測定に適用することができる非対称性測定方法を追求している。

[0008] 本発明の第１の態様は、基板上の周期構造の非対称性依存パラメータの測定方法のための装置であって、
構造上のスポット内に放射を合焦させる照明光学システムと、
第１及び第２の放射検出器と、
正及び負の高次回折放射の両方を同時に含む周期構造によって回折した放射を受光する検出光学システムであって、第１及び第２の検出器上にそれぞれスポットの第１及び第２の像を形成し、負の次数の放射を用いて第１の像が形成され、正の次数の放射を用いて第２の像が形成される、検出光学システムと、
正及び負の次数の輝度を表す第１及び第２の検出器からの信号を共に処理して周期構造内の非対称性の測定値を生成するプロセッサと、を備える装置を提供する。

[0009] 正及び負の次数は、光学的に分離されるため、同時に検出可能であり、非対称性の測定は位置測定に匹敵する速度で進行することができる。「正及び負の回折次数」という語句は、本明細書では、１次以上の回折次数のいずれかを指す。回折次数は、正でも負でもないゼロ次数（鏡面反射）を含み、さらに、都合上、正及び負と呼ばれる相補的なペアの形で存在する高次数も含む。非ゼロ次数は高次数と呼ぶことができる。したがって、＋１次及び−１次は正及び負の次数の例であり、＋２次及び−２次、＋３次及び−３次なども同様である。これらの例を、非限定的に、まず＋１次及び−１次に関して示す。以下の実施形態では、ゼロ次回折放射も処理される。幾つかの実施形態では、上記照明光学システムは、上記スポットが上記検出光学システムの光軸に整列した放射ビームによって形成されるオンアクシス照明モードと、上記スポットが上記検出光学システムの光軸に対して互いに対称に逆方向から入射する少なくとも２つの放射ビームによって形成されるオフアクシス照明モードのいずれかで選択的に動作可能である。

[0010] 幾つかの実施形態では、上記第１及び第２の検出器は、異なる波長の放射を分解することができ、上記プロセッサは上記正及び負の次数の各々の複数の波長で捕捉した信号を比較して、上記非対称性の測定を提供する。異なる波長での非対称性の同時測定は、アライメント（位置）測定に匹敵する速度で進行する非対称性の測定への可能性を拓く。

[0011] 上記スポット像を異なる正及び負の回折次数で形成するための様々な分割構成が考えられる。本発明の幾つかの実施形態は、放射場の対向する部分を異なる方向に向ける瞳面内に位置する分割素子を使用し、瞳面の一方の半分を通過する回折次数のビームは他方の半分を通過する回折次数のビームとは別様に偏向される。分割素子は、１以上のゼロ次ビームが偏向されずに通過することができるように形成された部分を有していてもよい。

[0012] 幾つかの実施形態では、装置は位置検知光学システムをさらに含み、位置検知光学システム及び非対称性検出光学システムの各々は上記正及び負の次数分の回折放射を受光する。公知の位置検知装置に基づく特定の実施形態では、放射スポットが周期構造を横断する際に変動する位置感応信号を生成する干渉計を備え、プロセッサはさらに位置感応信号を処理して装置に対する基板の位置を計算する。プロセッサは、上記位置の計算時に非対称性（又は非対称性依存パラメータ）の上記測定値を用いて位置感応信号内の非対称性感度を少なくとも部分的に補正するように構成することができる。

[0013] 本発明はさらに、リソグラフィ装置であって、
パターンを基板に転写するパターニングサブシステムと、
パターニングサブシステムに対する基板の位置を測定する測定サブシステムと、を備え、
パターニングサブシステムが、測定サブシステムによって測定された位置を用いてパターンを基板上の所望の位置に付与するように構成され、測定サブシステムが本発明の上記記載の装置を含むリソグラフィ装置を提供する。

[0014] 本発明はさらに、基板上に形成された周期構造の非対称性依存パラメータを測定する方法であって、
（ａ）構造上のスポット内に放射を合焦させるステップと、
（ｂ）正及び負の高次回折放射の両方を同時に含む周期構造によって回折した放射を受光するステップと、
（ｃ）第１及び第２の検出器上にそれぞれスポットの第１及び第２の像を形成するステップであって、負の次数の放射を用いて第１の像が形成され、正の次数の放射を用いて第２の像が形成されるステップと、
（ｄ）正及び負の次数の輝度を表す第１及び第２の検出器からの信号を共に処理して周期構造内の非対称性の測定値を生成するステップと、を含む方法を提供する。

[0015] 本発明はさらに、リソグラフィプロセスを用いてデバイスパターンが基板に付与されるデバイス製造方法であって、基板上に形成された１つ以上の周期構造の測定位置を参照して付与されたパターンを位置決めするステップを含み、測定位置が本発明の上記記載の方法によって得られる方法を提供する。

[0016] 本発明の実施形態を、添付の概略図面を参照しながら説明するが、この説明は単なる例示としてのものに過ぎない。

本発明のある実施形態による測定装置を形成するアライメントセンサを含む例示的なリソグラフィ装置を示す。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図１の装置内の基板上に設けられ得る様々な形態のアライメントマークを示す。 図１の装置内のアライメントマークをスキャンする公知のアライメントセンサの概略ブロック図である。 本発明のある実施形態を形成し図１の装置内のアライメントセンサとして使用可能な非対称性測定構成を含む改造型アライメントセンサの詳細概略図である。 図４の位置測定装置の一使用例における単一の放射波長の（ａ）オンアクシス照明プロファイル、（ｂ）結果として得られる回折信号、及び（ｃ）結果として得られる自己参照干渉計出力を示す。 図４の位置測定装置の一使用例における（ａ）オフアクシス照明プロファイル、（ｂ）結果として得られる回折信号、及び（ｃ）結果として得られる自己参照干渉計出力を示す。 図４の位置測定装置の一使用例における複数の放射波長の（ａ）オンアクシス照明プロファイル、（ｂ）結果として得られる回折信号、及び（ｃ）結果として得られる自己参照干渉計出力を示す。 図４の位置測定装置の一使用例における複数の放射波長の（ａ）オフアクシス照明プロファイル、（ｂ）結果として得られる回折信号、及び（ｃ）結果として得られる自己参照干渉計出力を示す。 図４の装置の一実施形態による非対称性測定構成の概略図である。 図９の非対称性測定構成の特定の実施形態をより詳細に示す。 図４の装置の別の実施形態による非対称性測定構成の概略図である。 図４の装置の別の実施形態による非対称性測定構成の概略図である。 図４の装置の別の実施形態による非対称性測定構成の概略図である。 図４の装置の別の実施形態による非対称性測定構成の概略図である。

[0017] 図１は、本発明の一実施形態によるリソグラフィ装置を概略的に示したものである。この装置は、
− 放射ビームＢ（例えばＵＶ放射又はＥＵＶ放射）を調節するように構成された照明システム（イルミネータ）ＩＬと、
− パターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡを支持するように構成され、特定のパラメータに従ってパターニングデバイスＭＡを正確に位置決めするように構成された第１のポジショナＰＭに接続された支持構造（例えばマスクテーブル）ＭＴと、
− 基板（例えばレジストが塗布されたウェーハ）Ｗを保持するように構成され、特定のパラメータに従って基板Ｗを正確に位置決めするように構成された第２のポジショナＰＷに接続された基板テーブル（例えばウェーハテーブル）ＷＴａ又はＷＴｂと、
− パターニングデバイスＭＡによって放射ビームＢに与えられたパターンを基板Ｗのターゲット部分Ｃ（例えば１つ以上のダイを含む）に投影するように構成された投影システム（例えば屈折投影レンズシステム）ＰＳと、を備える。

[0018] 照明システムは、放射の誘導、整形、又は制御を行うための、屈折、反射、磁気、電磁気、静電気型等の光学コンポーネント、又はその任意の組合せなどの種々のタイプの光学コンポーネントを含んでいてもよい。

[0019] 支持構造は、パターニングデバイスを支持、すなわちその重量を支えている。支持構造は、パターニングデバイスの方向、リソグラフィ装置の設計等の条件、例えばパターニングデバイスが真空環境で保持されているか否かに応じた方法で、パターニングデバイスを保持する。この支持構造は、機械式クランプ、真空、又は他のクランプ技術、例えば真空条件下での静電クランプを使用することができる。支持構造は、例えばフレーム又はテーブルでよく、必要に応じて固定式又は可動式でよい。支持構造は、パターニングデバイスが例えば投影システムなどに対して確実に所望の位置にあることを確実にする。本明細書において「マスク」という用語を使用した場合、その用語は、より一般的な用語である「パターニングデバイス」と同義と見なすことができる。

[0020] 本明細書において使用する「パターニングデバイス」という用語は、基板のターゲット部分にパターンを生成するように、放射ビームの断面にパターンを与えるために使用し得る任意のデバイスを指すものとして広義に解釈されるべきである。ここで、放射ビームに与えられるパターンは、例えばパターンが位相シフトフィーチャ又はいわゆるアシストフィーチャを含む場合、基板のターゲット部分における所望のパターンに正確には対応しないことがある点に留意されたい。一般的に、放射ビームに与えられるパターンは、集積回路などのターゲット部分に生成されるデバイスの特定の機能層に相当する。

[0021] パターニングデバイスは透過性又は反射性であってよい。パターニングデバイスの例には、マスク、プログラマブルミラーアレイ、及びプログラマブルＬＣＤパネルがある。マスクはリソグラフィにおいて周知のものであり、これには、バイナリマスク、レベンソン型（alternating）位相シフトマスク、ハーフトーン型（attenuated）位相シフトマスクのようなマスクタイプ、さらには様々なハイブリッドマスクタイプも含まれる。プログラマブルミラーアレイの一例として、小さなミラーのマトリクス配列を使用し、そのミラーは各々、入射する放射ビームを異なる方向に反射するよう個々に傾斜することができる。傾斜したミラーは、ミラーマトリクスによって反射する放射ビームにパターンを与える。

[0022] 本明細書において使用する「投影システム」という用語は、例えば使用する露光放射、又は液浸液の使用や真空の使用などの他の要因に合わせて適宜、例えば屈折光学システム、反射光学システム、反射屈折光学システム、磁気光学システム、電磁気光学システム及び静電気光学システム、又はその任意の組合せを含む任意のタイプの投影システムを網羅するものとして広義に解釈されるべきである。本明細書において「投影レンズ」という用語を使用した場合、これはさらに一般的な「投影システム」という用語と同義と見なすことができる。

[0023] 本明細書で示すように、本装置は透過タイプである（例えば透過マスクを使用する）。あるいは、装置は反射タイプでもよい（例えば上記で言及したようなタイプのプログラマブルミラーアレイを使用する、又は反射マスクを使用する）。

[0024] リソグラフィ装置は、２つ（デュアルステージ）又はそれ以上の基板テーブル（及び／又は２つ以上のパターニングデバイステーブル）を有するタイプでよい。このような「マルチステージ」機械においては、追加のテーブルを並行して使用するか、１つ以上の他のテーブルを露光に使用している間に１つ以上のテーブルで予備工程を実行することができる。図１の例の２つの基板テーブルＷＴａ及びＷＴｂはこれを示している。本明細書に開示された本発明は自立して使用できるが、本発明は特にシングル又はマルチステージ装置の露光前測定ステージに追加の機能を提供することができる。

[0025] リソグラフィ装置は、投影システムと基板との間の空間を充填するように、基板の少なくとも一部を水などの比較的高い屈折率を有する液体で覆えるタイプでもよい。液浸液は、例えばマスクと投影システムの間など、リソグラフィ装置の他の空間に適用することもできる。液浸技術は、投影システムの開口数を増加させるために当技術分野で周知である。本明細書で使用する「液浸」という用語は、基板などの構造を液体に沈めなければならないという意味ではなく、露光中に投影システムと基板の間に液体が存在するというほどの意味である。

[0026] 図１を参照すると、イルミネータＩＬは放射源ＳＯから放射ビームを受ける。放射源とリソグラフィ装置とは、例えば放射源がエキシマレーザである場合に、別々の構成要素であってもよい。このような場合、放射源はリソグラフィ装置の一部を形成すると見なされず、放射ビームは、例えば適切な誘導ミラー及び／又はビームエクスパンダなどを備えるビームデリバリシステムＢＤの助けにより、放射源ＳＯからイルミネータＩＬへと渡される。他の事例では、例えば放射源が水銀ランプの場合は、放射源がリソグラフィ装置の一体部分であってもよい。放射源ＳＯ及びイルミネータＩＬは、必要に応じてビームデリバリシステムＢＤとともに放射システムと呼ぶことができる。

[0027] イルミネータＩＬは、放射ビームの角度強度分布を調整するアジャスタＡＤを備えていてもよい。通常、イルミネータＩＬの瞳面における強度分布の外側及び／又は内側半径範囲（一般にそれぞれ、σ-outer及びσ-innerと呼ばれる）を調節することができる。また、イルミネータＩＬは、インテグレータＩＮ及びコンデンサＣＯなどの他の種々のコンポーネントを備えていてもよい。イルミネータを用いて放射ビームを調節し、その断面にわたって所望の均一性と強度分布とが得られるようにしてもよい。

[0028] 放射ビームＢは、支持構造（例えば、マスクテーブルＭＴ）上に保持されたパターニングデバイス（例えば、マスクＭＡ）に入射し、パターニングデバイスによってパターニングされる。マスクＭＡを横断した放射ビームＢは、投影システムＰＳを通過し、投影システムＰＳは、ビームを基板Ｗのターゲット部分Ｃ上に合焦させる。第２のポジショナＰＷと位置センサＩＦ（例えば、干渉計デバイス、リニアエンコーダ又は容量センサ）とを用いて、基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂは、例えば、様々なターゲット部分Ｃを放射ビームＢの経路に位置決めすることができるように正確に移動することができる。同様に、第１のポジショナＰＭと別の位置センサ（図１には明示されていない）を用いて、マスクライブラリからの機械的な取り出し後又はスキャン中などに放射ビームＢの経路に対してマスクＭＡを正確に位置決めすることができる。一般に、マスクテーブルＭＴの移動は、第１のポジショナＰＭの部分を形成するロングストロークモジュール（粗動位置決め）及びショートストロークモジュール（微動位置決め）を用いて実現することができる。同様に、基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂの移動は、第２のポジショナＰＷの部分を形成するロングストロークモジュール及びショートストロークモジュールを用いて実現することができる。ステッパの場合（スキャナとは対照的に）、マスクテーブルＭＴをショートストロークアクチュエータのみに接続するか、又は固定してもよい。マスクＭＡ及び基板Ｗは、マスクアライメントマークＭ１、Ｍ２及び基板アライメントマークＰ１、Ｐ２を使用して位置合わせすることができる。図示のような基板アライメントマークは、専用のターゲット部分を占有するが、ターゲット部分の間の空間に位置してもよい（スクライブレーンアライメントマークとして知られている）。同様に、マスクＭＡ上に複数のダイを設ける状況では、マスクアライメントマークをダイ間に配置してもよい。

[0029] １．ステップモードにおいては、マスクテーブルＭＴ及び基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂは、基本的に静止状態に維持される一方、放射ビームに付与されたパターン全体が１回でターゲット部分Ｃに投影される（すなわち単一静的露光）。次に、別のターゲット部分Ｃを露光できるように、基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂがＸ方向及び／又はＹ方向に移動される。ステップモードでは、露光フィールドの最大サイズによって、単一静的露光で結像されるターゲット部分Ｃのサイズが制限される。
２．スキャンモードにおいては、マスクテーブルＭＴ及び基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂは同期的にスキャンされる一方、放射ビームに与えられるパターンがターゲット部分Ｃに投影される（すなわち単一動的露光）。マスクテーブルＭＴに対する基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂの速度及び方向は、投影システムＰＬの拡大（縮小）及び像反転特性によって求めることができる。スキャンモードでは、露光フィールドの最大サイズによって、単一動的露光におけるターゲット部分の（非スキャン方向における）幅が制限され、スキャン動作の長さによってターゲット部分の（スキャン方向における）高さが決まる。
３．別のモードでは、マスクテーブルＭＴはプログラマブルパターニングデバイスを保持して基本的に静止状態に維持され、基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂを移動又はスキャンさせながら、放射ビームに与えられたパターンをターゲット部分Ｃに投影する。このモードでは、一般にパルス状放射源を使用して、基板テーブルＷＴａ／ＷＴｂを移動させる毎に、又はスキャン中に連続する放射パルスの間で、プログラマブルパターニングデバイスを必要に応じて更新する。この動作モードは、以上で言及したようなタイプのプログラマブルミラーアレイなどのプログラマブルパターニングデバイスを使用するマスクレスリソグラフィに容易に利用できる。

[0030] 上述した使用モードの組合せ及び／又は変形、又は全く異なる使用モードも利用できる。

[0031] リソグラフィ装置ＬＡは、２つの基板テーブルＷＴａ及びＷＴｂと、基板テーブルをその間で交換することができる２つのステーション（露光ステーション及び測定ステーション）と、を有するいわゆるデュアルステージタイプである。露光ステーションＥＸＰで一方の基板テーブル上の１つの基板が露光されている間に、測定ステーションＭＥＡで他方の基板テーブル上に別の基板を装着することができ、したがって、様々な準備ステップを実行することができる。準備ステップは、レベルセンサＬＳを用いた基板表面のマッピングと、アライメントセンサＡＳを用いた基板上のアライメントマークの位置の測定と、を含んでいてもよい。これによって装置のスループットが大幅に増大する。位置センサＩＦが、基板テーブルが測定ステーション及び露光ステーションにあるときの基板テーブルの位置を測定することができない場合、第２の位置センサを提供して両方のステーションで基板テーブルの位置の追跡を可能にすることができる。本発明は、１つだけの、又は３つ以上の基板テーブルを有する装置に適用可能である。

[0032] この装置は、本明細書に記載する様々なアクチュエータ及びセンサのすべての移動及び測定を制御するリソグラフィ装置制御ユニットＬＡＣＵを含む。ＬＡＣＵは、また装置の動作に関連する所望の計算を実施する信号処理及びデータ処理能力を含む。実際、制御ユニットＬＡＣＵは、各々が装置内のサブシステム又はコンポーネントのリアルタイムデータ取得、処理及び制御を扱う多数のサブユニットのシステムとして実現されるであろう。例えば、１つの処理サブシステムを基板ポジショナＰＷのサーボ制御専用にしてもよい。別々のユニットを用いて粗動及び微動アクチュエータ、又は異なる軸を扱ってもよい。別のユニットを位置センサＩＦの読み出し専用にしてもよい。装置の全体の制御を上記サブシステム処理ユニットと通信する中央制御ユニットによって実行させ、オペレータとその他の装置をリソグラフィ製造プロセスに従事させることができる。

[0033] 図２（ａ）は、Ｘ座標の位置及びＹ座標の位置のそれぞれの測定のために基板Ｗ上に提供されたアライメントマーク２０２、２０４の例を示す。この例の各々のマークは、基板に付与されたか又はエッチングされた製品層又はその他の層内に形成された一連のバーを含む。バーは規則的な間隔を置いて配置され、格子線の役割を果たすため、マークは周知の空間的周期（ピッチ）を有する回折格子とみなすことができる。Ｘ軸方向のマーク２０２上のバーはＹ軸に対して平行でＸ軸方向の周期性を提供する一方、Ｙ軸方向のマーク２０４上のバーはＸ軸に対して平行でＹ軸方向の周期性を提供する。アライメントセンサＡＳ（図１に示す）は、放射スポット２０６、２０８で各マークを光学的にスキャンして正弦波などの周期的に変動する信号を得る。この信号の位相が解析され、アライメントセンサに対するマークの位置、したがって、基板ｗの位置が測定され、次に、基板の位置が装置の基準フレームＲＦに対して固定される。幅広矢印でスキャン運動が概略的に示され、スポット２０６又は２０８の漸進位置が点線の輪郭で示されている。アライメントパターン内のバー（格子線）のピッチは、通常、基板上に形成されるフィーチャのピッチよりもはるかに大きく、アライメントセンサＡＳは、基板にパターンを付与するための露光放射よりもはるかに長い放射の１つの波長（又は普通は複数の波長）を使用する。しかしながら、バーの数が多いと反復する信号の位相を正確に測定することができるため、微細位置の情報が得られる。

[0034] 粗マーク及び微細マークを提供することができ、したがって、アライメントセンサは周期的信号の異なる周期を区別し、１周期内の正確な位置（位相）を区別することができる。このためにピッチが異なるマークも使用することができる。また、これらの技術は当業者には周知であるため、本明細書では詳述しない。そのようなセンサの設計及び動作は当技術分野で周知であり、各々のリソグラフィ装置は独自に設計したセンサを有していてもよい。本明細書の説明において、アライメントセンサＡＳは、一般的に、米国特許第６９６１１１６号明細書（den Boef他）に記載する形態である。図２（ｂ）は、Ｘ座標及びＹ座標の位置が照明スポット２０６を用いた１回の光学スキャンで得られる同様のアライメントシステムと併用できる修正型マークを示す。マーク２１０は、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して４５°に配置されたバーを有する。このＸ座標及びＹ座標の位置の組み合わせ測定は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００９／１９５７６８Ａ号明細書（Bijnen他）に記載の技術を用いて実行することができる。

[0035] 図３は、公知のアライメントセンサＡＳの概略ブロック図である。照明源２２０は、スポットミラー２２３によって偏向され、対物レンズ２２４を通して、基板Ｗ上に位置するマーク２０２などのマーク上に達する１つ以上の波長の放射ビーム２２２を提供する。図２に概略的に示すように、上記米国特許第６９６１１１６号明細書に基づくアライメントセンサの例では、マーク２０２を照明する照明スポット２０６の直径はマークそれ自体の幅よりもわずかに小さくてもよい。

[0036] マーク２０２によって散乱される放射は対物レンズ２２４によって捕集され、情報搬送ビーム２２６内にコリメートされる。自己参照干渉計２２８は、上記米国特許第６９６１１１６号明細書に開示されたタイプの干渉計であり、ビーム２２６を処理して別々のビームをセンサアレイ２３０上に出力する。スポットミラー２２３は、好都合には、この地点でのゼロ次ストップの役割を果たし、情報搬送ビーム２２６はマーク２０２からの高次回折放射のみを含む（これは測定にとって必須ではないが、信号対雑音比を向上させる）。センサグリッド２３０内の個々のセンサからの輝度信号２３２が処理ユニットＰＵに提供される。ブロック２２８内の光学的処理とユニットＰＵ内のコンピュータ処理との組み合わせによって、基準フレームＲＦに対するＸ座標及びＹ座標の位置の値が出力される。処理ユニットＰＵは、図１に示す制御ユニットＬＡＣＵとは別体であってもよく、又はそれらは設計選択と便宜の問題として、同じ処理ハードウェアを共用していてもよい。ユニットＰＵが別体の場合、信号処理の一部をユニットＰＵ内で実行し、別の部分をユニットＬＡＣＵ内で実行してもよい。

[0037] 上述したように、図示のタイプの１回の測定では、マークの位置がそのマークの１ピッチに対応する一定の範囲内に固定されるだけである。これをより粗い測定技術と併用して、正弦波のどの周期がマーキングされた位置を含む周期であるかが識別される。異なる波長で、より粗い及び／又はより細かいレベルで同じプロセスを反復して精度を向上させ、マークの製造材料に関わらず、及び／又はマークが着座する材料に関わらず、マークのロバストな検出が可能になる。波長を光学的に多重化及び多重分離して同時に処理可能にでき、及び／又は波長を時分割又は周波数分割によって多重化してもよい。本開示における例は、幾つかの波長での測定を用いてマークの非対称性への感度が低減した実用的で堅牢な測定装置（アライメントセンサ）を提供する。

[0038] 測定プロセスを参照すると、図３のｖ_ｗで示された矢印は、スポット２０６がマーク２０２の全長Ｌを横断するスキャン速度を示す。この例では、アライメントセンサＡＳとスポット２０６とは実際には静止している一方、速度ｖ_ｗで移動するのは基板Ｗである。したがって、マーク２０２を基板Ｗの運動方向の反対方向に効果的にスキャンしながら、アライメントセンサを基準フレームＲＦ（図１）に堅固かつ正確に搭載することができる。この運動で、基板は基板テーブルＷＴ及び基板位置決めシステムＰＷ上への搭載によって制御される。

[0039] 本優先権主張日には公開されていない先行の米国特許出願第１３／３６９，６１４号で説明されているように、リソグラフィ装置に要求される高い生産性要件は、基板上の多数の位置でのアライメントマークの測定をできるだけ迅速に実行することを含む。これは、スキャン速度ｖ_ｗが高速であり、その結果、各マーク位置の獲得に利用可能な時間Ｔ_ＡＣＱが短いということを意味する。簡単に言えば、公式Ｔ_ＡＣＱ＝Ｌ／ｖ_ｗが適用される。先行の米国出願１３／３６９，６１４号は、スポットの反対のスキャン運動を付与して獲得時間を延ばす技術を記載する。所望であれば、本明細書に新たに開示するタイプのセンサ及び方法に同じスキャンスポット技術を適用することができる。

[0040] より小さい格子ピッチを有するマーク上のアライメントには利点がある。実際の生産におけるオーバレイ測定値は、実際には制御された試験条件下の場合よりもはるかに大きい。調査によれば、これは、製品ウェーハ上のアライメントマークが処理中に非対称になったためであると考えられる。アライメントマークのピッチを低減すると、通常、非対称性が測定されたアライメント位置に与える影響が減じられる。

[0041] アライメント格子のピッチを低減する幾つかのオプションは、（ｉ）使用する放射の波長を短くする、（ｉｉ）アライメントセンサ光学系のＮＡを増加させる、（ｉｉｉ）オフアクシス照明を使用するという方法であることは当業者には明らかである。アライメント格子は、多くの場合、吸収膜（例えば、アモルファスカーボンハードマスク）の下に位置するため、波長を短くすることは必ずしも可能ではない。ＮＡを増加させることが一般的には可能であるが、ウェーハからの安全な距離をとった小型対物レンズが必要なため好ましくない。したがって、オフアクシス照明が魅力的である。

オフアクシス照明を用いた位置測定
[0042] 図４は、上記先行の米国特許第６，９６１，１１６号明細書及び米国特許出願公開第２００９／１９５７６８号明細書に記載のアライメントセンサの改造版である新規のアライメントセンサの光学システム４００を示す。これによって、とりわけ、精度を向上させるアライメントマークの低減したピッチを可能にするオフアクシス照明モードのオプションが導入される。また、光学システムは、スキャトロメトリタイプの測定を別個のスキャトロメータ計器ではなくアライメントセンサを用いて実行することを可能にする。幾つかの分岐を有する光軸Ｏが光学システム４００を貫通する破線で示されている。図３の概略図との比較を容易にするために、光学システム４００の幾つかの部分は図３で使用するものと同様な符号が付いているが、接頭辞は「２」ではなく「４」である。したがって、光源４２０、照明ビーム４２２、対物レンズ４２４、情報搬送ビーム４２６、自己参照干渉計４２８及び検出器４３０が示されている。実際には、干渉計出力からの相補信号を受信する１対の検出器が提供されるが、それは本開示には関連しない。これらの検出器からの信号は、適宜変形されて下記の新規のフィーチャを実施する処理ユニットＰＵ（以降の図には示さず）によって処理される。

[0043] この詳細な概略図に示す追加のコンポーネントについて以下に説明する。照明サブシステム４４０内で、光源４２０からの放射が光ファイバ４４２を介して照明プロファイリング光学系４４６へ送達される。これによって、入力ビーム４２２がビームスプリッタ４５４を介して瞳面Ｐを有する対物レンズ４２４へ送達される。対物レンズ４２４は、ウェーハＷ上のアライメントマーク２０２／２０４／２１０上にスポット４０６を形成する。マークによって回折した情報搬送ビーム４２６は、ビームスプリッタ４５４を通過して干渉計４２８に達する。干渉計４２８は、放射場を直交偏波を有する２つの部分に分割し、これらの部分を、光軸を中心に互いに１８０°回転させ、出力ビーム４８２に再結合させる。レンズ４８４は、全放射場を図３の公知のアライメントセンサと同様の構成である検出器４３０上に合焦させる。この例と公知のアライメントセンサにおける検出器４３０は、効果的には、単一のフォトダイオードであり、空間情報を提供しない。共役瞳面内の空間分解能を有する検出器を追加してアライメントセンサハードウェアを用いた角度分解スキャトロメトリ方法を実行することができる。

[0044] この例に含まれる具体的な変形形態は、以下に別途説明する非対称性測定装置４６０である。装置４６０は、干渉計の前段に位置する第２のビームスプリッタ４６２を通して情報搬送ビーム４２６の一部を受光する。

[0045] 照明プロファイリング光学系４４６は様々な形態をとることができ、そのうち幾つかが本優先権主張日には公開されていない本出願人の先行の米国特許出願第６１／６２３，３９１号に詳細に開示されている。上記出願に開示された例では、検出器側での空間分解の必要なしに低減した格子ピッチを使用できるアライメントセンサ（より一般的には、位置測定装置）が示されている。新規の照明モードを使用することで、これらの装置は、現在の検出器の設計を変えることなく、また照明プロファイルを変えることなく、広範囲の異なるピッチ、例えば、１μｍ未満から２０ミクロンのピッチまでを有するマークの位置を測定することができる。先行出願第６１／６２３，３９１号に記載の例に共通の具体的な特徴は、限られた範囲の入射角（瞳面内の限られた半径範囲）でのオフアクシス照明を使用するオプションである。オフアクシス照明とは、放射の光源領域が瞳の周辺部分、すなわち、光軸から一定の距離を置いた部分に限定されるということを意味する。照明を瞳の最周辺部に限定することで、アライメントマークからの最小可能ピッチは実質的にλ／ＮＡから実質的にλ／２ＮＡまで低減する。ここで、λは使用する放射の波長、ＮＡは計測器（例えば、アライメントセンサ、又はより一般的には、位置測定装置）の対物レンズの開口数である。また、先行出願第６１／６２３，３９１号に記載の例は、所望の照明を提供すると同時にゼロ次回折放射の放射場ストップとしての役割を果たす装置のビームスプリッタ内のスポットミラーの特定の分布を利用する。照明モードを変更することなくＸ、Ｙ及びＸＹマークのいずれかの上でのアライメントを可能にする「ユニバーサル」照明プロファイルを設計できるが、これによって、装置の性能及び／又はいくらかの複雑さを甘受しなければならない。あるいは、様々なマークタイプで使用するための専用モードを設計し、選択可能にすることができる。また、照明の異なる偏光も選択することができる。

[0046] 照明プロファイリング光学系４４６の基本的機能は、少なくとも対物レンズ４２４の瞳内の第１及び第２の光源領域からコヒーレント放射を供給することである。第１及び第２の領域は上記瞳の周辺部分に限定される（少なくとも光軸から離れているという意味で）。それらの領域は、各々、角度範囲が限定され、光軸に対して互いに正反対の位置にある。先行出願第６１／６２３，３９１号に記載の例から分かるように、光源領域は極めて小さいスポットの形態をとっていてもよく、又はより拡大した形態であってもよい。別の光源領域も提供することができ、特に、第３及び第４の領域を第１及び第２の領域から９０°回転した位置に提供することができる。装置全体としてこれらの特定の照明プロファイルを提供する構成に限定する必要はない。装置は、異なるプロファイルの使用に好都合な公知の又は未開発の別の使用モードを有していてもよい。

[0047] 上記の図４に示す例で、干渉計の周囲で通常使用される幾つかの偏光素子を省略したことに留意されたい。これは、この考えの説明を簡単化するためにのみなされた。実際の実施態様では、それらを含む必要がある。さらに、マークタイプに従って異なる偏波を用いて測定し、各マーク上で複数の偏波を用いて測定することが通例である。所望の偏波を達成するための所望の特徴は、当業者であれば直ちに思い付くであろう。

[0048] さらに図５及び図６を参照しながら、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す異なるマークタイプに応じたオン及びオフアクシス照明モードの選択について説明する。以下の例に含まれる重要な例は、既存のマーク及び測定方法に適合するオンアクシス照明プロファイルである。最初に、図３の公知のセンサ内で使用されるオンアクシスモードの例について述べると、図５（ａ）に示すように、それ以外は暗い瞳４５２内の中央の明るいスポットを有するオンアクシス照明プロファイル４４８（Ｏ）によって、基板に垂直な照明が提供される。このプロファイルは、新規の装置の照明ビーム４２２のオプション設定である。代替実施形態では、このプロファイルを照明プロファイラ４４６によって直接生成して、ビームスプリッタ４５４内のスポットミラーによって対物レンズ４２４へフル輝度で伝送することができる。あるいは、プロファイリング光学系４４６によって幅広いビームを生成することができ（又はプロファイリング光学系４４６を省略してもよい）、プロファイル４４８（Ｏ）内の中央のスポットはスポットミラーによってのみ画定されるであろう。しかしながら、この例では、光軸に沿って戻るゼロ次ビームは干渉計４２８に入射する前に阻止され、非対称性測定装置４６０へ伝送されることが望ましい。干渉計の前でゼロ次ビームを阻止することは必須ではないが、位置信号の信号対雑音比を向上させる。したがって、この実施形態では、スポットミラー４７０が第２のビームスプリッタ４６２内に含まれる。第１のスプリッタ４５４は銀めっきされておらず、中央のスポットの輝度のわずか５０％程度しかマークへ伝送されないことが了承されている。

[0049] 水平の点線は、読み出されるマークの周期性の方向、この例ではＸ軸方向を表す。図５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に生起する−１及び＋１次ビームの回折スポットは、格子ピッチがλ／ＮＡ以下である限り、光学システムの瞳内に無事に収まる。Ｙ軸方向及びＸＹ軸方向のマーク（図示せず）についても同じことがあてはまる。一般的に、整数ｎはゼロを超える任意の回折次数を表していてもよい。＋ｎ次ビームが−ｎ次ビームにオーバラップするときに、アライメント信号を抽出することができる。これは、図５（ｃ）に示すプロファイル４８２（Ｏ）を与える自己参照干渉計４２８を用いて実行される。

[0050] オフアクシス照明を使用したいときは、やはり図４に示すように、コヒーレント放射の輝点を周辺位置で生成することができる。プロファイル４４８内のスポットは２対であり、各ペア内で１８０°対称である。対は互いに９０°の角度をなし、Ｘ及びＹ軸に対して２２．５°の位置にある。スポットは、瞳面内で制限された径方向範囲と制限された角度範囲とを有する。そのようなスポットパターンを提供することで、３つの格子方向はすべて、単一照明モードで、又はハードウェア内で容易に選択可能なモードによって、対応可能である。先行出願第６１／６２３，３９１号には、スポットミラーによる、また干渉計４２８と同じ形態の自己参照干渉計の使用によってそのようなプロファイルを生成する様々な方法を開示する。オンアクシス照明に関して上述したように、これらのスポットをビームスプリッタ４５４内のスポットミラーに反射させて、光の損失なしに、対物レンズ６２４の瞳面Ｐに所望の照明プロファイル４４８を形成することができる。しかしながら、この実施形態では、スポットミラー４７２は、その代わりに図示のようにスプリッタ４６２内に配置され、したがって、スポットミラーはゼロ次回折ビームを非対称性測定装置４６０へ送達する。

[0051] スポット及びスポットミラーは、実際には、ここで概略を示す大きいスポットよりもはるかに小さい傾向がある。例えば、数センチメートルの瞳径では、スポットサイズは１ミリメートル未満であってもよい。

[0052] 図６は、図５で使用するマークのピッチのほぼ半分のピッチを有するＸ軸方向のマークの（ａ）オフアクシス照明プロファイル４４８、（ｂ）情報搬送ビーム４２６内の回折パターン、及び（ｃ）干渉計出力４８２を示し、利用可能な照明スポットのうち好適なスポットペアが選択されて照明される。この場合、低減したピッチとその結果として増加した角度にも関わらず、＋１及び−１次ビームは瞳内に収まり、マークの位置は十分に認識可能であり、実質的にλ／２ＮＡ、すなわち、公知の計器内で適用されるピッチの半分に相当する格子ピッチの下限を表す。さらに、各図内の円は光学システムの瞳を表し、マーク内の周期性の方向は円を横切る点線によって表される。（ａ）で、２つの照明スポットは互いに正反対の位置にあり、光軸（Ｏ、図示せず）周りに１８０°の対称性を有する照明プロファイルを提供する。（これらのスポットは瞳面内に存在し、マーク自体の上のスポット、又はマークの像内のスポットと混同してはならないことは当業者には明らかであろう。他方、瞳面内の１８０°は画像面内の１８０°と同等である。）スポットはＸ軸（点線）上にはなく、Ｘ軸から小さい角度だけ、この例では２２．５°オフセットされている。したがって、スポットは、Ｘ軸を横断する方向に、すなわち、格子の周期性の方向に互いにオフセットされている。（ｂ）には、アライメントマーク２０２の格子によって形成される結果として得られる回折パターンが示されている。一方のスポットでは、回折次数＋１のビームが瞳面内にある。他方のスポットでは、回折次数−１のビームが瞳面内の次数１のビームから１８０°回転した位置にある。各スポットのゼロ次回折（鏡面反射）は他方のスポットの位置と正確に一致する。

[0053] 格子のピッチが増加すると仮定すると、追加の次数−２及び＋２のビームなどが瞳面内に収まる。上記オフセットのために、各スポットの回折次数は、格子のピッチに関わらず、他方のスポットの回折次数とは別個のままである。オフセットが存在せず、照明スポットが正確にＸ、Ｙ及び／又はＸＹ軸上にある装置も考えられる。しかしながら、そのような装置は、回折次数間の不要なオーバラップを回避し、必要な回折次数が阻止されることを回避したい場合、使用できるマークピッチと放射波長との組み合わせに多くの制約を課す。広帯域又は多色放射が使用される実施形態では、高次回折信号はここに示すような単一のスポットではなく、１次スペクトル、２次スペクトルなどに拡散する。それによって、次数間の不要なオーバラップの可能性が高くなる。ここで、各次数は専ら話を簡単にする目的でスポットと表現している。

[0054] 図６（ｃ）は、マーク像の１８０°回転したコピーを混合する干渉計４２８を（ｂ）で回折信号を通過させた結果を示す。０次スポットが干渉計の前段のどこかの地点で放射場ストップによって阻止されると想定される。そのような放射場ストップの簡単な実施態様は、スポットミラー４７２（ある場合）であろう。各々の高次ビームの正及び負の信号は重畳され、＋１／−１、＋２／−２などで示されるように混合される。元の照明スポットが互いにコヒーレントであると仮定すると、その効果は単一の照明スポットの正及び負の次数の混合と同じである。したがって、位置測定装置の干渉計、検出光学系及び検出回路は、図３の公知の装置内と同じであってもよい。検出された信号を処理して位置測定値を得るプロセスも実質的に同じであってもよい。

[0055] 高次スポットが回折放射場内に存在する方向は、図４に示すプロファイル４４８及び４４８（Ｏ）上の白い点線によってＸ、Ｙ及びＸＹ軸方向のマークについて示されている。各モードの照明プロファイル４４８は以下の特性を有する。（ｉ）各スポットは径方向及び角度範囲が制限されている、（ｉｉ）各スポットペア内で、各々のスポットはＸ、Ｙ及びＸＹ軸方向のマークの周期性の方向のいずれかを横切る方向に互いにオフセットされている。したがって、これらの回折方向に沿って位置する高次スポットは、少なくとも放射場の中央部分では、互いに干渉しない。特に、粗マークを測定する場合、オーバラップのリスクをさらに低減する調整式放射場ストップ４９０を提供することができる。この詳細は、上記先行出願第６１／６２３，３９１号に記載されている。

[0056] 先行出願は、Ｙ軸方向のマーク（図２（ａ）の２０４）及びＸＹ軸方向のマーク（図２（ｂ）の２１０）のために設計された照明モードの回折パターン及び干渉計出力をさらに例示する。図５及び図６の部分（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に関連する上記内容はこれらの部分に同様に適用される。ＸＹ軸方向のマークは各々がＸ及びＹ軸に対して４５°の異なる格子線の向きを備えた部分を有するため、照明プロファイル内に２つのスポットペアが提供される。Ｘ及びＹ軸のケースと同様に、各ペアのスポットは互いに正反対の位置にあり、格子の周期性の方向を横切る方向に互いにわずかにオフセットされている。２つのスポットペアはＸＹ軸方向のマークをスキャンする際に同時に存在しなくてもよく、各ペアをオンにして対応する周期性の方向を有するマークの部分をスキャンすることができることに留意されたい。ＸＹ軸方向のマークをスキャンする際、両方のスポットペアが常時照明される場合、対物レンズが基板から受光する回折次数はスキャンされている特定部分内の周期性の方向に対応する回折次数だけである。

[0057] 対向するセグメントは、干渉計４２８が所望の信号を生成するためにコヒーレントになければならないということを念頭において、照明プロファイルを幾つかの方法で生成して実用的な計器を形成することができる。特に広帯域光源が含まれる場合、光源放射のコヒーレンス長／時間は極めて短い。単色レーザ光源を用いる場合でも、ＵＳ６９６１１１６号は、例えば、不要な複数の反射光からの干渉を解消するために、短いコヒーレンス時間が好ましいと教示している。したがって、光源から各々のセグメントまでの光路長は極めて厳密に一致しなければならない。所望のプロファイルに直接対応する開口を幅広い平行ビーム内に配置できるが、その結果、光の損失は比較的大きくなる。光の損失を回避するために、上記先行出願第６１／６２３，３９１号では様々な代替策を提案している。

[0058] 照明源４４２から発せられる照明は単色光であってもよいが、通常、本質的に広帯域光、例えば、白色光、又は多色光である。ビーム内の波長のダイバーシティは、公知のように、測定のロバスト性を向上させる。公知のセンサは、例えば、緑、赤、近赤外線及び遠赤外線という名称の４つの波長のセットを使用する。本発明を実施する新規のセンサでは、同じ４つの波長を使用でき、あるいは、異なる４つの又は４つより多いか若しくは少ない波長を使用してもよい。

[0059] ２つの異なる偏波を測定したい場合、マークを２回以上スキャンする必要がある。また、ＸＹ軸方向のマークのスキャンの途中で照明モードを切り替えることも有用である。しかしながら、その他の実施形態では、２つの測定を同時に行うために光信号の多重化を使用する。同様に、照明モードを切り替えることなくＸＹ軸方向のマークの異なる部分をスキャンし測定できるように多重化を適用できる。そのような多重化を実行する簡単な方法は、周波数分割多重化である。この技術では、スポット及び／又は偏波の各ペアからの放射が、位置情報を搬送する時間変動信号の周波数よりもはるかに高い周波数として選択された固有周波数で変調される。検出器４３０に達する回折及び処理された光信号は、２つの信号の混合であるが、それらは、光源放射のそれぞれの周波数に同調したフィルタを用いて電子的に分離されることができる。時分割多重化も使用することができるが、これは光源と検出器との間の高精度の同期化を含む傾向がある。各周波数での変調は、例えば、簡単な正弦波又は方形波であってもよい。

[0060] 位置検知であるかその他のメトロロジー形態であるかを問わず、マークを円形偏波で照明したい場合、ビームスプリッタ４５４と対物レンズ４２４との間に四分の一波長板（図示せず）を挿入できる。これは、線形偏波を円形偏波に変換する（またマークによる回折後に元に戻す）効果を有する。スポット位置は前と同様にマークの方向に従って選択される。円形偏波の方向（時計回り／反時計回り）は、照明源４２０、ファイバ４２２又は照明プロファイル光学系４４６内の異なる線形偏波を選択することで変更可能である。

非対称性の測定
[0061] これまで述べてきたように、位置測定装置を用いて、例えば、図１に示すようなリソグラフィ装置内のアライメント位置を得ることができる。アライメントマークが非対称であるときにはエラーになる。非対称のアライメントマークによって引き起こされるアライメントエラーは、リソグラフィ装置の運用時の測定値を用いてなされるデバイス内のオーバレイエラーに寄与する。正及び負の回折次数の間の輝度の差及び／又は位相差は、マークの形状、特に非対称性の情報を示す。位置測定装置に非対称性検出装置４６０を追加することで、位置測定とほぼ同じハードウェアを用いて、所望であれば位置測定と同時に、マークの非対称性を測定することができる。この測定は、リソグラフィ装置のアライメント中の非対称性によって引き起こされるアライメントエラーを補正する可能性を提起する。

[0062] 非対称性を測定するメトロロジーツールが市販されている。しかしながら、これらはアライメントセンサと一体化している訳ではなく、またリソグラフィプロセスのスループットを害することなくアライメントセンサと共に動作できるほど高速でもない。１つの公知の装置は、共役瞳面内のＣＣＤアレイを用いて回折スペクトル内の輝度の非対称性を測定する角度分解スキャトロメータである。しかしながら、公知のスキャトロメータは幾つかの色について非対称性を順次測定する。アライメントセンサ内では、異なる色から得た位置信号が高速化のために並列に測定される。さらに、速度、雑音及び電力（熱）の放散が非対称性測定装置４６０に厳格な要件を課す。

[0063] 図７及び図８について簡潔に説明すると、図５及び図６に示したように、これらは（ｂ）で回折パターン、（ｃ）で同じ照明プロファイル（ａ）の干渉計出力を示す。相違点は、図７及び図８では、照明が幾つかの異なる波長を含むことが前提であるという点である。上述したように、公知のアライメントセンサは緑、赤、近赤外線及び遠赤外線という名称の４つの波長のセットを使用する。これらは、異なる材料と厚さの重畳する層を通して読み出す必要がある一定範囲のマークからのロバストな位置読み出しを提供する。単色光の１次信号が図５及び図６では単一のスポットとして表示される場合、アライメントセンサの照明内に存在する異なる波長がスペクトルに拡散する。照明が幾つかの離散的な波長を含み、スポットが実際、ここに示すスポットよりもはるかに小さい場合、異なる色の回折スポットは必ずしもここに示す方法でオーバラップしなくてもよい。それらは、共役瞳面内に画像センサを提供するか、又は公知のスキャトロメータのように、異なる色を順次測定することで分離できる。しかしながら、画像センサは雑音の影響を受けやすく、各スポットは最大１ピクセルしかカバーできず、画像センサは、アライメント検知環境で可能ならば回避すべき雑音及び熱放散を導入する。図８で用いるより粗いピッチのマークにおいては、回折次数は中央のゼロ次スポットにかなり近いことに留意されたい。より細かいピッチのマークを備えたオフアクシス照明モードでは、異なる色の１次信号がより拡散し、ゼロ次信号からさらに拡散している。

[0064] 本明細書に記載する例では、０次及び＋／−１次回折信号について述べるが、本開示は、高次、例えば、＋／−２次回折信号、より一般的には＋／−ｎ次回折信号の捕捉及び解析にまで拡張されることを理解されたい。この例では、話を分かり易くするために１次回折信号のみを示し説明している。

[0065] 図９を参照すると、図９は、概略形式で、図４のアライメントセンサ内で使用可能な非対称性測定装置４６０の一実施形態を示す。変更がないアライメントセンサの部分はスペースの関係で省略した。上述したように、非対称性測定装置４６０は、ビームスプリッタ４６２を用いてセンサの情報搬送ビーム４２６の一部を捕集するアライメントセンサ光学システムのブランチである。アライメントセンサはオフアクシス照明モードで動作可能であることを考慮すると、幾つかの周辺光線５０２はゼロ次光線を表す一方、内部光線５０４は１次回折光線を表す。レンズ５０６はＤ（０）と表示された検出器上のスポット４０６の像５０８を形成するように構成されている。しかしながら、レンズ５０６の前段には、瞳スプリッタ５１０が挿入されている。正面図に挿入図としても示されるこのスプリッタ５１０は、分割線５１２のいずれかの側にテーパする断面Ａ−Ａ’を有する二重くさびの形態を有する。分割線５１２はＸ又はＹ軸に対して２２．５°の角度で配置されていて、そのため、オフアクシススポット位置からのゼロ次及び高次回折光線のいずれもこの線に当たらない。さらに、４つの穴５１４のセットが正確にオフアクシスゼロ次ビームの位置に提供されている。追加の穴５１６が光軸上に提供され、オンアクシス照明モード（図７の状況、図９には示さず）を用いるときにゼロ次ビームを通過させる。この二重くさび又は二重プリズム構成の効果として、１次ビーム５０４はレンズ５０６に達する前に偏向され、破線５０４’が示すようにスポット５０８内に合焦しない。−１次光線５０４は検出器Ｄ（０）の一方の側に位置する検出器Ｄ（−１）上に合焦し、＋１次光線は他方の側に位置する検出器上に合焦する。

[0066] 瞳スプリッタ５１０は、マスクのすべての向きについて、すべての色の正及び負の高次回折次数が分離され、それらの別々の検出器（１次検出器Ｄ（＋１）及びＤ（−１）のみを示す）へ再誘導されるように設計されていることが分かる。唯一の制限は、粗いピッチの場合、中央の照明スポットが使用され（オンアクシスプロファイル４４８（Ｏ））、細かいピッチの場合、周辺の照明スポットが使用されるという点である。ゼロ次光線５０２はスプリッタと相互動作することなく伝送されるため、検出器Ｄ（０）はすべての波長のマーク回折スペクトルのゼロ次数の全輝度を受信する。検出器内では空間分解が不要であり、小型の設計、低い質量及び低い熱拡散で利用可能な輝度内の高い信号対雑音比を達成することをさらに容易にする。

[0067] この非対称性測定ブランチの発明で測定される信号によって、処理ユニットＰＵはアライメントと同時に非対称性の検出／マーク再構築を実行することができる。これによって、各測定され位置又はそのサブセットに補正を適用することができ、アライメントの読み取りをよりプロセスロバストにする。アライメントセンサに追加される可動部品はなく、既存のセンサハードウェアを存分に利用することができる。この解決策はすべてのマークの向き（Ｘ、Ｙ軸方向、及び４５°のマーク）に有効である。本明細書に開示する本発明の原理内で多数の変形形態及び修正形態が可能である。これらの幾つかを、限定的ではなく、以下に示す。異なる実施形態に含まれる要素を別個に取り入れ、又は図示の方法とは別の方法で組み合わせることができる。

[0068] 図１０は、実用的な実施形態における検出器Ｄ（０）などの詳細を示す。これらの検出器内では空間分解が不要であることを考慮して、光ファイバ６１０を用いて、光学システム及び検出器Ｄ（０）などから離れた位置で０、−１及び＋１回折信号を実行する。これによって、アライメントセンサ光学系を熱及び電気的雑音から可能な限り隔離することができる。また、レンズ５０６によってスポット５０８内に結像されるときに、放射のすべての波長が回折次数内にあるということを考慮すると、検出器Ｄ（０）は、マークの単一のスキャンから各次数及び各波長の輝度を送達する分光検出器であってもよい。追加のスペクトル情報を用いて、基板上の構造の非対称性と、オプションとして、その他のパラメータの詳細なモデリングが可能になり、アライメントにおける速度の制限なしによりロバストな非対称性測定が可能になる。当然ながら、異なるブランチにビームを分割することで検出が過度に困難又は雑音を伴う程度にまで輝度を確実に低減しないようにするように、設計に留意しなければならない。

[0069] 図１１は、瞳面内で互いに１８０°離れたゼロ次ビームが別のくさび６２０によって偏向されて別々の検出器Ｄ（０’）及びＤ（０”）上に合焦する別の変形形態を示す。ゼロ次穴の背後に追加のくさびを備えて、２つのゼロ次ビームも別々に測定できる（所望であれば、別々の検出器を用いて、別々の波長で）。これによって、構造の非対称性とその他のパラメータ（普通、スタックと呼ばれる）のモデリングのための貴重な情報が生成される。くさびの代わりに、小さいミラーを配置してゼロ次ビームの一方又は両方を偏向させてもよい。

[0070] 図１２は、各々の１次数検出器（又は分光計）がそれ自体２つのブランチの形態であり、ビーム経路内の偏光素子６２０がＳ及びＰ偏光成分を通過させる図９の構成の変形形態を示す。これによって、モデルを詳細化するか又は制限することができる。各偏光素子は例えばウォラストンプリズム又はスプリッタキューブであってもよい。偏光プリズムは各々、入射光を２つの直交する直線偏波出射光に分割する。これらの光路内で各回折次数のＳ及びＰ成分のための検出器を配置することで、正及び負の次数及び異なる波長に関する分割情報に加えて偏光内容の情報が収集される。図示していない代替の構成では、最初に光を異なる偏波に分割し、次いで、回折次数を分割する。ゼロ次ビームも異なる偏波に分割されることができる。

[0071] 図１３は、スプリッタ５１０及びレンズ５０６の機能が１つの素子に結合した図９の構成の変形形態を示す。瞳スプリッタとレンズ６４０の組み合わせを用いて、ゼロ及び高次ビームの分割が可能になる。したがって、最初のターゲットは、高次ビームからゼロ次の形態を分離することである。この結果はやはり単一の光学要素によって得られる。ゼロ次ビームに対して１次ビームを曲げるように屈曲し分割されたレンズは、ゼロ次ビームの位置に穴を有する。ゼロ次ビームの（５つの）異なる可能な位置を捕捉する大型のゼロ次検出器が示されているが、その代わりに別々の検出器を使用してもよい。あるいは、検出器Ｄ０の真正面に別のレンズを配置して検出器の入口領域を制限してもよい。より小型であることに加えて、小さい検出器は、信号獲得時間を改善し、及び／又は所与の輝度の信号対応する雑音比を改善することができるより小さい寄生容量を有する。しかしながら、これはビーム区別原理の提案された実施態様に影響するものではない。他の実施形態と同様に、異なる検出器への偏波の分割と異なるゼロ次ビームの分割を実行して解析のための追加の情報を生成することができる。

[0072] 図１４は、くさび型プリズムではなく分割ミラー６６０、６６２を用いて瞳面を分割する変形形態を示す。実施形態では、ミラーは、入射ビームに対して、垂直角度＞０°である反射面を有する２つの部分ビームスプリッタから構成される。図では、各表面は垂線に対して４５°をなし、各々はＸ又はＹ軸に対して２２．５度の線によって境界を付けられた放射場の半分をカバーする。いずれかのミラーの表面に当たる光は検出器へ向けて反射する。スプリッタ６６４の端部の図が挿入図として示されている。構造を簡単化するために、高次検出器Ｄ（−１）及びＤ（＋１）は軸６６８上でオフセットされている。各々のミラーはゼロ次ビームの場所に穴を有する。したがって、ゼロ次ビームは、偏向されず、その代わりにレンズ５０６によって捕集される。これによって、ゼロ次ビームは、１次ビームから分離される。また、分光解析を実行することができる。高次放射はもはやレンズ５０６を通過しないため、高次放射を検出器Ｄ（−１）、Ｄ（＋１）などの上に合焦させる別々のレンズ６７０、６７２が提供されている。ミラーは長手方向に間隔を空けて配置され、放射を光軸の同じ側に偏向させていたが、別の実施形態では、ミラーは符号が逆の次数のビームを光軸の対向する側に偏向させてもよい。

[0073] 図４の装置は例として使用されるが、非対称性測定の同一の原理を上記先行特許出願第６１／６２３，３９１号に記載されるような様々な設計の非対称性センサに適合させることができる。照明プロファイルと格子のピッチ及び方向によっては、単一の非可動瞳スプリッタを用いてすべての動作モード度をカバーすることは困難かもしれない。スプリッタを、可動部品、交換可能部品、電気活性部品を含む様々なプロファイルに適合させる様々なオプションが考えられる。本明細書に開示する非対称性測定の原理を、所望であれば、アライメント検知とは独立して適用し、スタンドアロン型センサ又は別のツールの一部を形成することができる。

[0074] 別々の検出器Ｄ（−１）、Ｄ（０）などを提供する代わりに、画像センサ又はその他のマルチセグメント検出器を適用して本発明の範囲内で同じ効果を達成することができる。センサが平面型の場合、レンズ５０６の周囲の光学系は全次数のビームの合焦を達成するために複雑になってもよく、又はある程度の合焦外れが許容されてもよい。いずれの実施形態でも、検出器は、放射を検出器の入力場所から検出器素子が物理的に位置するより好都合な場所へ送達するように構成された光ファイバ又はその他の光ガイドを含んでいてもよい。例えば、図９と図１０の実施形態を組み合わせて、光ファイバの入力部が平面内に配置されていない名目上の検出器位置を画定できる位置であるが、検出器素子は物理的に平面内に配置されているという構成を考えることができる。各次数のための検出器は、合焦などのその他の測定目的を可能にする複数のピクセルセグメント又は領域を備えていてもよい。これらのセグメントからの信号を結合して、各セグメントが本開示の目的に沿った単一の検出器の役割を果たす構成が可能である。いずれの検出器も分割し、フィルタと組み合わせて、異なる波長の放射を別々に検出することができる。本発明の原理を逸脱することなく、異なる波長を光学的に、又は時分割、周波数分割などで多重化することができる。

[0075] 本明細書及び請求の範囲において、放射スポットがアライメントマークを形成する構造上に形成されるように説明しているが、「スポット」という用語は、いずれかの特定のサイズ又は形状の照明領域を必要とするものであると理解してはならない。例えば、照明スポットは円形であっても、又は細長くてもよい。同様に、形成される上記スポットの像が様々な検出器に入射すると説明しているが、スポット像はスポットそれ自体と同じ形状であってもよく、又はそうでなくてもよい。唯一の要件は、公知の検出器からの放射が捕集され、構造上の厳密に画定された領域上に合焦し、照明領域からの回折放射が捕集され再度合焦して所望の検出器の感応領域内に入射できる程度にその領域が結像するということである。それぞれの検出器を有する複数のスポットも除外されない。

[0076] アライメントセンサを制御し、検出した信号を処理し、リソグラフィパターニングプロセスを制御する際の使用に適した位置測定値をこれらの信号から計算する処理ユニットＰＵは、通常、ここでは詳述しない何らかの種類のコンピュータアセンブリを含むことを理解されたい。コンピュータアセンブリは、装置の外部の専用のコンピュータであってもよく、アライメントセンサ専用の１つ又は複数の処理ユニットであってもよく、あるいは、リソグラフィ装置全体を制御する中央制御装置ＬＡＣＵであってもよい。コンピュータアセンブリは、コンピュータ実行可能コードを備えるコンピュータプログラムプロダクトをロードするように構成してもよい。これによって、コンピュータプログラムプロダクトがダウンロードされると、コンピュータアセンブリに、アライメントセンサＡＳを用いたリソグラフィ装置の上記の使用を制御させることができる。

[0077] 本文ではＩＣの製造におけるリソグラフィ装置の使用に特に言及しているが、本明細書で説明するリソグラフィ装置には他の用途もあることを理解されたい。例えば、これは、集積光学システム、磁気ドメインメモリ用誘導及び検出パターン、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜磁気ヘッドなどの製造である。こうした代替的な用途に照らして、本明細書で「ウェーハ」又は「ダイ」という用語を使用している場合、それぞれ、「基板」又は「ターゲット部分」という、より一般的な用語と同義と見なしてよいことが、当業者には認識される。本明細書に述べている基板は、露光前又は露光後に、例えばトラック（通常はレジストの層を基板に塗布し、露光したレジストを現像するツール）、メトロロジーツール及び／又はインスペクションツールで処理することができる。適宜、本明細書の開示は、以上及びその他の基板処理ツールに適用することができる。さらに基板は、例えば多層ＩＣを生成するために、複数回処理することができ、したがって本明細書で使用する基板という用語は、既に複数の処理済み層を含む基板も指すことができる。

[0078] 光リソグラフィの分野での本発明の実施形態の使用に特に言及してきたが、本発明は文脈によってはその他の分野、例えばインプリントリソグラフィでも使用することができ、光リソグラフィに限定されないことを理解されたい。インプリントリソグラフィでは、パターニングデバイス内のトポグラフィが基板上に作成されたパターンを画定する。パターニングデバイスのトポグラフィは基板に供給されたレジスト層内に刻印され、電磁放射、熱、圧力又はそれらの組合せを印加することでレジストは硬化する。パターニングデバイスはレジストから取り除かれ、レジストが硬化すると、内部にパターンが残される。

[0079] 本明細書で使用する「放射」及び「ビーム」という用語は、イオンビーム又は電子ビームなどの粒子ビームのみならず、紫外線（ＵＶ）放射（例えば、３６５ｎｍ、３５５ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ若しくは１２６ｎｍ、又はこれら辺りの波長を有する）及び極端紫外線光（ＥＵＶ）放射（例えば、５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の波長を有する）を含むあらゆるタイプの電磁放射を網羅する。

[0080] 「レンズ」という用語は、状況が許せば、屈折、反射、磁気、電磁気及び静電気光学コンポーネントを含む様々なタイプの光学コンポーネントのいずれか一つ、又はその組合せを指すことができる。

[0081] 以上、本発明の特定の実施形態を説明したが、説明とは異なる方法でも本発明を実践できることが理解される。例えば、本発明は、上記で開示したような方法を述べる機械読み取り式命令の１つ以上のシーケンスを含むコンピュータプログラム、又はこのようなコンピュータプログラムを内部に記憶したデータ記憶媒体（例えば半導体メモリ、磁気又は光ディスク）の形態をとることができる。

[0082] 上記の説明は例示的であり、限定的ではない。それ故、下記に示す特許請求の範囲から逸脱することなく、記載されたような本発明を変更できることが当業者には明白である。

Claims (15)

1. 基板上の周期構造の非対称性依存パラメータの測定方法のための装置であって、
   前記構造上のスポット内に放射を合焦させる照明光学システムと、
   第１検出器及び第２検出器と、
   正及び負の高次回折放射の両方を同時に含む、前記周期構造によって回折した放射を受光する検出光学システムであって、前記第１検出器及び第２検出器上にそれぞれ前記スポットの第１像及び第２像を形成し、前記負の次数の放射を用いて前記第１像が形成され、前記正の次数の放射を用いて前記第２像が形成される検出光学システムと、
   前記正及び負の次数の輝度を表す前記第１検出器及び第２検出器からの信号を共に処理して前記周期構造内の前記非対称性依存パラメータの測定値を生成するプロセッサと、を備える装置。
2. 前記照明光学システムが、前記スポットが前記検出光学システムの光軸に整列した放射ビームによって形成されるオンアクシス照明モードで動作可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記照明システムが、前記スポットが前記検出光学システムの光軸に対して互いに対称に対向する方向から入射する少なくとも２つの放射ビームによって形成されるオフアクシス照明モードで動作可能である、請求項１に記載の装置。
4. 前記照明光学システムが、前記スポットが前記検出光学システムの光軸に整列した放射ビームによって形成されるオンアクシス照明モード及び前記スポットが前記検出光学システムの光軸に対して互いに対称に対向する方向から入射する少なくとも２つの放射ビームによって形成されるオフアクシス照明モードで選択的に動作可能である、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１検出器及び第２検出器が異なる波長の放射を分解することができ、前記プロセッサが、前記正及び負の次数の各々について複数の波長で捕捉された信号を比較して非対称性依存パラメータの前記測定値を提供する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記検出光学システムが、放射場の対向する部分を異なる方向に偏向させる瞳面内に位置する分割素子を備え、それによって、前記瞳面の一方の半分を通過する回折次数が前記他方の半分を通過する回折次数とは別様に偏向される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記分割素子が、１以上のゼロ次ビームを偏向されずに通過させるように形成された部分を有する、請求項６に記載の装置。
8. 前記分割素子が、前記第１検出器及び第２検出器上に前記スポットの別々の像を形成する合焦素子の上流側に提供された１以上のプリズム屈折素子を備える、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記分割素子が、前記第１検出器及び第２検出器上に前記スポットの別々の像を形成する合焦素子と結合する、請求項６又は７に記載の装置。
10. リソグラフィ装置であって、
    パターンを基板に転写するパターニングサブシステムと、
    前記パターニングサブシステムに対する前記基板の位置を測定する測定サブシステムと、を備え、
    前記パターニングサブシステムが、前記測定サブシステムによって測定された前記位置を用いて前記パターンを前記基板上の所望の位置に付与するように構成され、前記測定サブシステムが、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置を含むリソグラフィ装置。
11. 基板上に形成された周期構造の非対称性依存パラメータを測定する方法であって、
    （ａ）前記構造上のスポット内に放射を合焦させるステップと、
    （ｂ）正及び負の高次回折放射の両方を同時に含む、前記周期構造によって回折した放射を受光するステップと、
    （ｃ）第１検出器及び第２検出器上にそれぞれ前記スポットの第１像及び第２像を形成するステップであって、前記負の次数の放射を用いて前記第１像が形成され、前記正の次数の放射を用いて前記第２像が形成されるステップと、
    （ｄ）前記正及び負の次数の輝度を表す前記第１検出器及び第２検出器からの信号を共に処理して前記周期構造内の非対称性依存パラメータの測定値を生成するステップと、を含む方法。
12. 前記スポットが、前記スポットの前記像を形成するために用いる光学システムの光軸に整列した放射ビームによって形成される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スポットが、前記像を形成するために用いる光学システムの光軸に対して互いに対称に対向する方向から入射する少なくとも２つの放射ビームによって形成される、請求項１１に記載の方法。
14. 測定する前記周期構造のピッチに応じて、前記スポットが前記スポットを形成するために用いる光学システムの光軸に整列した放射ビームによって形成されるか、又は、前記スポットが前記光学システムの前記光軸に対して互いに対称に対向する方向から入射する少なくとも２つの放射ビームによって形成される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１検出器及び第２検出器が、異なる波長の放射を分解することができ、ステップ（ｄ）が、前記正及び負の次数の各々について複数の波長で捕捉された信号を比較して前記非対称性依存パラメータの前記測定値を提供する、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の装置。

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