JP6226525B2 - 露光装置、露光方法、それらを用いたデバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置および露光方法、ならびにそれらを用いたデバイスの製造方法に関する。

近年、半導体デバイスの製造工程に適用される微細加工技術の進展が著しい。特に露光工程（リソグラフィー工程）では、サブミクロンオーダーの解像力を有する縮小投影露光装置の使用が主流であり、さらなる解像力の向上に向けて、光学系の開口数（ＮＡ）の拡大や露光波長の短波長化などが図られている。露光波長を短波長化とすると、投影光学系内で使用可能な硝材が限定されるため、投影光学系のアライメント波長に対する色収差の補正を好適に行うことが難しい。そこで、近年の縮小投影露光装置では、検出系として、投影光学系の色収差の影響を受けないオフアクシスアライメント検出系（ＯＡ検出系）が採用されている。

一方、被処理基板であるウエハ（シリコンウエハ）の裏面側にアライメントマークを予め形成しておき、このアライメントマークに合わせて表面側に所望のパターンを露光する特殊な露光工程がある。この工程は、例えば、ウエハの表面側から貫通ビアを形成し、裏面側の回路パターンと導通させる場合に実施される。このウエハの裏面側に形成されたアライメントマークを検出するものとして、特許文献１は、ウエハチャック側に配置された検出系によりアライメントを実施するリソグラフィー装置を開示している。このリソグラフィー装置は、ウエハチャックの特定位置に形成された計測穴から、この特定位置に対向する位置にあるアライメントマークのみを計測する。すなわち、ウエハ上の任意の位置に配置されたアライメントマークを計測することができない。

これに対して、シリコンが赤外光（波長１０００ｎｍ以上）に対して透過性を有する性質を利用し、赤外光を光源としたＯＡ検出系により、ウエハの裏面側に形成されているアライメントマークを表面側から計測する方法がある。しかしながら、このような裏面アライメントでは、ウエハ表面からアライメントマークまでの間にシリコン層が存在する。したがって、その層の厚みにばらつきが生じていたり、ウエハ表面と、ウエハステージやウエハチャックなどの表面との傾きが異なっていたりすると、重ね合わせ精度に影響を及ぼす可能性がある。そこで、露光前に、ウエハのチルトの状態（ウエハ表面に傾きが生じている状態）を補正し、ウエハ表面（例えばレジスト（感光剤）が塗布してある場合にはレジスト表面）が露光に適した状態、すなわち水平となるように、ウエハの姿勢を変化させる技術がある。特許文献２は、補正用のレーザー干渉計によりウエハを載置するテーブルに設置されたミラーの傾きを検出し、また傾斜測定器によりウエハの傾きを検出し、さらにテーブルの自重によるたわみ量を算出してアッベの誤差を算出する位置決め装置を開示している。この位置決め装置は、ウエハの傾き分を、算出されたアッベ誤差に基づいてテーブルの位置を変化させることで補正し、レーザー干渉計の測定精度を向上させる。さらに、特許文献３は、ステージに設置された平面鏡の誤差をステージの位置ごとに演算する演算部を有し、この演算部により予め求められた誤差に基づき、ステージが移動する位置に応じてステージの傾斜量を補正する位置決めステージを開示している。

特開２００２−２８０２９９号公報 特開平５−３１５２２１号公報 特開２００３−２０３８４２号公報

しかしながら、特許文献２および３に示す装置によりウエハのチルトの状態を補正し、ウエハ表面を水平状態とすると、露光時に、ウエハ表面とアライメントマークが形成されている層面との傾き差に起因した誤差（シフト誤差）が発生する場合がある。このシフト誤差は、ウエハ上に予め塗布されているレジスト層の厚みムラや、主に裏面アライメントの際に使用される貼り合わせウエハのシリコン層の厚みムラなどに起因して発生し得る。そこで、このシフト誤差を低減するために、ウエハ表面と、計測対象のアライメントマークが形成されている回路層の面（パターン面）との傾きを、露光前に予め平行にしておくことが考えられる。しかしながら、表面研磨により平行化を実施したとしても、その過程でウエハ表面の測定と回路層の測定と繰り返す必要があるため、コストアップや、歩留まりに影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、例えば、シフト誤差を簡易的に補正し、ウエハ上に形成されるパターンの重ね合わせ精度の向上に有利な露光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、原版に形成されたパターンを基板のアライメントマークが形成された面の上に積層された層の表面上に投影する投影光学系を有する露光装置であって、アライメントマークを検出する検出系と、該検出系によるアライメントマークの検出結果からアライメントマークが形成された面の傾きを計測し、アライメントマークが形成された面の傾きを補正したときの、アライメントマークが形成された面と層の表面の間の厚みに基づいて投影光学系によってパターンを投影する制御部とを有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、シフト誤差を簡易的に補正し、ウエハ上に形成されるパターンの重ね合わせ精度の向上に有利な露光装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る露光装置の構成を示す図である。 ウエハおよびウエハステージ上に存在する各種マークを示す図である。 ＯＡ検出系の構成を示す図である。 ＴＴＬ−ＡＡ検出系を採用した場合の露光装置の構成を示す図である。 第１実施形態に係る露光工程の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態におけるウエハアライメント処理を説明する図である。 ＯＡ検出系の光軸が傾いた状態で計測している状態を示す図である。 第２実施形態におけるウエハアライメント処理を説明する図である。 第３実施形態において処理対象とするウエハの構成を示す図である。 第３実施形態におけるウエハアライメント処理を説明する図である。 シフト誤差を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る露光装置（露光方法）について説明する。図１は、本実施形態の露光装置１の構成を示す概略図である。この露光装置１は、一例として半導体デバイスの製造工程に使用され得る縮小投影露光装置とする。さらに、露光装置１は、レチクル２とウエハ３とを走査方向に互いに同期して移動させつつ、レチクル２に形成されているレチクルパタ−ンをウエハ３上（基板上）に露光する、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置とする。なお、本発明は、レチクル２を固定し、ウエハ３のみを走査方向に移動させてレチクルパタ−ンをウエハ３上に露光する、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）にも適用可能である。ここで、レチクル２は、ウエハ３上に転写されるべきレチクルパターン（例えば回路パターン）が形成された、例えば石英ガラス製の原版である。一方、ウエハ３は、例えば、表面上にレジスト（感光剤）が塗布された単結晶シリコンからなる基板である。なお、このウエハ３の構成（または状態）については、以下の説明と合わせて詳説する。また、以下の説明では、投影光学系６の光軸方向（本実施形態では鉛直方向）に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で露光時のレチクル２およびウエハ３の走査方向にＹ軸を取り、Ｙ軸に直交する非走査方向にＸ軸を取っている。また、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸回りの方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、およびθＺ方向としている。露光装置１は、まず、照明系４と、レチクルステージ５と、投影光学系６と、ウエハステージ７と、複数種の検出系と、制御部８とを備える。

照明系４は、例えば、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、または絞りなどの光学素子を含み、不図示の光源から照射された光を調整し、均一な照度分布の露光光でレチクル２上の所定の照明領域を照明する。光源としては、水銀ランプの他に、例えば、ＫｒＦエキシマレ−ザーや、さらに短波長のＡｒＦエキシマレ−ザーやＦ２レ−ザーを照射する光源とし得る。さらに、より微細なデバイス製造のために、波長が数ｎｍ〜百ｎｍの極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：ＥＵＶ光）を照射する光源を採用することも考えられる。

レチクルステージ５は、レチクル２を保持し、Ｘ、Ｙ軸方向へ移動可能、およびθＺ方向に微小回転可能とする。ただし、レチクルステージ５は、１軸駆動から６軸駆動までのいずれの駆動を行うものでもよい。レチクルステージ５は、リニアモーターなどの駆動装置（不図示）により駆動され、この駆動は、制御部８により制御される。さらに、レチクルステージ５は、その上面の側部にミラー１０を有する。そして、レチクルステージ５（レチクル２）のＸＹ軸方向の位置、およびθＺ方向の回転角は、ミラー１０に対向する位置に設置され、ミラー１０に向けてレーザービームを照射し、反射光を受光する第１レーザー干渉計１１によりリアルタイムで計測される。制御部８は、この計測結果に基づいて駆動装置に駆動指令を送信することで、レチクル２の位置決めを実施させる。

投影光学系６は、レチクル２のレチクルパターンを所定の投影倍率βでウエハ３上に投影するものであり、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１／２〜１／５の縮小投影系である。

ウエハステージ（基板保持部）７は、ウエハ３を保持し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動可能とし、かつθＸ、θＹ、θＺ方向に微小回転可能とする。ウエハステージ７は、不図示であるが、ウエハ３保持するウエハチャックを支持するＺ軸ステージと、Ｚ軸ステージを支持するＸＹ軸ステージと、ＸＹ軸ステージを支持するベ−スとを備える。このうち、Ｚ軸ステージおよびＸＹ軸ステージともに、リニアモーターなどの駆動装置（不図示）により駆動され、この駆動は、制御部８により制御される。また、Ｚ軸ステージは、その一部にミラー１２を有する。そして、Ｚ軸ステージ（ウエハ３）のＸＹ軸方向の位置およびθＺ方向の回転角は、ミラー１２にＸＹ軸方向で対向する位置に設置された第２レーザー干渉計１３で、ミラー１２に向けてレーザービームを照射し、反射光を受光することでリアルタイムで計測される。一方、Ｚ軸ステージ（ウエハ３）のＺ軸方向の位置およびθＸ、θＹ方向の回転角は、ミラー１２にＺ軸方向で対向する位置に設置された第３レーザー干渉計１４で、ミラー１２に向けてレーザービームを照射し、反射光を受光することでリアルタイムで計測される。制御部８は、この計測結果に基づいて駆動装置に駆動指令を送信することで、ウエハ３の位置決めを実施させる。

露光装置１は、以下の３つの検出系、すなわち、レチクルアライメント検出系（以下「ＲＡ検出系」と略記する）２０と、フォーカス検出系（以下「ＡＦ検出系」と略記する）２１と、アライメント検出系２２とを備える。これらの検出系の説明に先立ち、まず、ウエハ３、およびウエハ３を保持するウエハステージ７（Ｚ軸ステージ）に設置（形成）されているマークについて説明する。図２は、ウエハ３およびウエハステージ７上に存在する各種マークを示す概略平面図である。ウエハ３は、その表面上に複数のショット領域（パターン転写領域）Ｓを有し、さらに、それらのショット領域間に複数のアライメントマーク２３を有する。ウエハ３を保持するウエハステージ７（Ｚ軸ステージ）は、その表面上の端部に複数（本実施形態では３つ）のステージ基準プレート２４を有する。ステージ基準プレート２４は、ＲＡ検出系２０が検出対象とするＲＡ検出系用基準マーク２５と、アライメント検出系２２（後述のＯＡ検出系２２ａ）が検出対象とするＯＡ検出系用基準マーク２６とを有する。このＲＡ検出系用基準マーク２５とＯＡ検出系用基準マーク２６との位置関係（ＸＹ軸方向）は、既知である。また、ステージ基準プレート２４は、ウエハ３の表面とほぼ同じ高さとなるように設置されている。なお、ＲＡ検出系用基準マーク２５とＯＡ検出系用基準マーク２６とは、共通のマークであってもよい。また、ステージ基準プレート２４は、ウエハステージ７上に１つのみ存在してもよく、さらに、１つのステージ基準プレート２４には、ＲＡ検出系用基準マーク２５とＯＡ検出系用基準マーク２６とをそれぞれ複数ずつ含んでいてもよい。

ＲＡ検出系２０は、レチクルステージ５の近傍に設置され、投影光学系６を介して、レチクル２に存在するレチクル基準マーク（不図示）と、ウエハステージ７上のＲＡ検出系用基準マーク２５（図２参照）とを同時に検出する。このとき、両基準マークを照明する光源は、実際の露光時に使用される光源と同一のものとする。このＲＡ検出系２０は、例えばＣＣＤカメラなどの光電変換素子を搭載しており、レチクル基準マークとＲＡ検出系用基準マーク２５とからの反射光を検出する。制御部８は、この光電変換素子からの信号に基づいて、両基準マークの位置およびフォ−カスが合うようにレチクルステージ５またはウエハステージ７を駆動させることで、レチクル２とウエハ３との相対位置関係（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を合わせることができる。

なお、ウエハステージ７上のＲＡ検出系用基準マーク２５を透過型とし、このＲＡ検出系２０に換えて、透過型ＲＡ検出系２７を採用することも可能である。透過型ＲＡ検出系２７は、例えば光量センサーを含み、この光量センサーが、実際の露光時に使用される光源から投影光学系６を介して、レチクル基準マークとＲＡ検出系用基準マーク２５とに照射された透過光を検出する。制御部８は、この光量センサーによる検出を、ウエハステージ７をＸ軸方向もしくはＹ軸方向、またはＺ軸方向に駆動させながら実施させる。制御部８は、この光量センサーからの信号に基づいて、両基準マークの位置およびフォ−カスが合う位置を特定し、レチクル２とウエハ３との相対位置関係（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を合わせることができる。

ＡＦ検出系２１は、投影光学系６から投影されるパターン像のフォーカス位置を検出する。このフォーカス検出系２１は、検出光をウエハ３の表面に照射する照射系２８と、そのウエハ３からの反射光を受光する受光系２９とを備える。制御部８は、ＡＦ検出系２１からの信号に基づいてウエハステージ７のＺ軸ステージを駆動させ、ウエハ３のＺ軸方向における位置（フォーカス位置）、および傾斜角を調整することができる。

アライメント検出系２２は、採用可能な形態として、大きく２つの種類のものが存在する。まず１つ目は、投影光学系６を介さずにウエハ３上のアライメントマーク２３を光学的に検出する、いわゆるオフアクシスアライメント検出系（Ｏｆｆ−ａｘｉｓ Ａｕｔｏａｌｉｇｍｅｎｔ：以下「ＯＡ検出系」と略記する）である。なお、図１では、アライメント検出系２２として、このＯＡ検出系２２ａを図示し、以下、一例としてＯＡ検出系２２ａを採用するものとする。２つ目は、特に光源にｉ線を用いた露光装置で採用され、投影光学系６を介して非露光光のアライメント波長を用いてアライメントマーク２３を検出する、いわゆるＴＴＬ−ＡＡ検出系（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ Ａｕｔｏａｌｉｇｍｅｎｔ）である。制御部８は、アライメント検出系２２からの信号に基づいてウエハステージ７をＸＹ軸方向に駆動させることで、ウエハ３のＸＹ軸方向における位置を調整することができる。以下、ＯＡ検出系２２ａとＴＴＬ−ＡＡ検出系２２ｂ（図４参照）とについて個別に説明する。

図３は、ＯＡ検出系２２ａの構成を示す概略図である。ＯＡ検出系２２ａは、照明光源３０からの光を検出対象であるアライメントマーク２３やＯＡ検出系用基準マーク２６に照射する照射系と、これらのマークからの反射光を受光する受光系とを内部に備える。以下、ＯＡ検出系２２ａの構成と作用とを合わせて説明する。照明光源３０から導光された光（ビーム）は、リレー光学系３１と波長フィルター板３２とを通過してファイバーにより導光され、ＯＡ検出系２２ａの瞳面（物体面に対する光学的なフーリエ変換面）に位置する開口絞り３３に到達する。このとき、開口絞り３３で絞られたビーム径は、照明光源３０でのビーム径よりも十分に小さいものとなる。波長フィルター板３２は、透過波長帯の異なるフィルターを複数種含み、それらのフィルターは、制御部８からの動作指令により切り替えられる。また、開口絞り３３は、照明σの異なる絞りを複数種含み、それらの絞りが制御部８からの動作指令により切り替えられることで所望の照明σに変更される。照明光源３０から開口絞り３３まで到達した光は、照明光学系３４を通過して偏光ビームスプリッター３５に導光される。偏光ビームスプリッター３５により反射された紙面に垂直なＳ偏光は、λ／４板３６を透過して円偏光に変換され、対物レンズ３７を通過して、ウエハ３上のアライメントマーク２３をケーラー照明する（図３中、照明光を実線で示す）。アライメントマーク２３からの反射光、回折光、または散乱光（図３中、１点波線で示す）は、再度対物レンズ３７、λ／４板３６を順に通過して紙面に平行なＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター３５を透過する。次に、リレーレンズ３８、第１結像光学系３９、コマ収差調整用光学部材４０、および第２結像光学系４１により、アライメントマーク２３の像が、例えばＣＣＤカメラなどの光電変換素子４２上に形成される。制御部８は、このＯＡ検出系２２ａにより検出（観察）された、光電変換されたマーク像の位置に基づいて、ウエハ３の位置を特定することができる。

ここで、ＯＡ検出系２２ａがウエハ３上のアライメントマーク２３を精度良く検出するためには、マーク像が明確に検出されなければならない、すなわち、ＯＡ検出系２２ａのピントがアライメントマーク２３に合っていなければならない。そこで、ＯＡ検出系２２ａは、不図示のＡＦ検出系を含み（上記ＡＦ検出系２１とは異なる）、制御部８は、このＡＦ検出系の検出結果に基づいてアライメントマーク２３をＯＡ検出系２２ａのベストフォ−カス面に移動させた上で、ＯＡ検出系２２ａに検出させる。さらに、このようなＯＡ検出系２２ａによりアライメントマーク２３を観察してウエハ３の位置を検出する場合、アライメントマーク２３の上部に塗布などにより形成された透明層に起因して、単色光では干渉縞が発生する。干渉縞が発生すると、ＯＡ検出系２２ａは、アライメント信号を干渉縞の信号が加算された状態で検出してしまうため、高精度な検出が望めない。そこで、これに対処するために、照明光源３０としては、広帯域の波長を持つものを使用することが望ましい。

図４は、図１に対応した、アライメント検出系２２として、ＯＡ検出系２２ａに加えてＴＴＬ−ＡＡ検出系２２ｂを採用した場合の露光装置１の構成を示す概略図である。この図４に示す例では、ＯＡ検出系２２ａがプリアライメント計測を実施し、一方、ＴＴＬ−ＡＡ検出系２２ｂがファインアライメント計測を実施する。ＯＡ検出系２２ａは、Ｘ、Ｙ軸の両方向を計測可能とするのに対して、ＴＴＬ−ＡＡ検出系２２ｂは、Ｘ軸方向の計測を行う第１検出部４５と、Ｙ軸方向の計測を行う第２検出部４６とを含む。なお、第１検出部４５および第２検出部４６は、それぞれ光源を必要とするが、この光源は、ＯＡ検出系２２ａの光源（不図示）と共通化してもよい。

制御部８は、露光装置１の各構成要素の動作および調整などを制御し得る。この制御部８は、例えばコンピュータなどで構成され、露光装置１の各構成要素に回線を介して接続され、プログラムなどにしたがって各構成要素の制御を実行し得る。なお、制御部８は、露光装置１の他の部分と一体で（共通の筐体内に）構成してもよいし、露光装置１の他の部分とは別体で（別の筐体内に）構成してもよい。

次に、露光装置１におけるウエハアライメント処理について説明する。まず、参考として従来のウエハアライメント処理時に生じ得るシフト誤差について説明する。図１１は、従来のウエハアライメント処理時のシフト誤差を説明するための概略図である。なお、図１１では、便宜上、本実施形態に係る露光装置１の要素に対応するものには同一の符号を付す。ここで、ウエハチャック５０に保持されたウエハ３の表面には、アライメントマーク２３が形成されており、さらにレジスト５１が塗布（レジスト層（この場合最上層）が積層）されている。しかしながら、ウエハ３の面形状、アライメントマーク２３の形成状態、またはレジスト５１の塗布条件などにより、実際にはレジスト５１の厚みが均一となるように塗布することは難しい。そこで、この例では、レジスト５１に厚みムラ（塗布ムラ）が発生している、すなわち、レジスト５１の表面（全体で見た場合でいうウエハ表面）とアライメントマーク２３が形成されているウエハ３のマーク面とに傾き差が生じていると想定する。まず、図１１（ａ）は、ＯＡ検出系２２ａによりウエハアライメント処理を行う際の状態を示している。このとき、レジスト５１の表面は傾いているが、ウエハ３上のアライメントマーク２３が形成された面は、所望の状態（水平状態）にある。したがって、ウエハ３上のアライメントマーク２３は、ＯＡ検出系２２ａの検出位置に合う。次に、図１１（ｂ）は、アライメントマーク２３が図１１（ａ）とＸＹ平面方向で対応（一致）した状態で、露光位置でレジスト５１の表面計測を行い、この結果に基づいてチルト補正を行った状態を示している。このとき、レチクルパターンの像は、投影光学系６を介してウエハ３上に露光されるが、ウエハ３（この場合回路層）上のパターン面は、重ね合わせる面に対して平行となる必要がある。具体的には、図１１（ｂ）においてレジスト層の露光光の進行方向に着目すると、アライメントマーク２３の上方に位置するパターン５２は、パターン面（アライメントマーク２３が形成された面）に垂直になるように、軸５３上に露光されることが望ましい。しかしながら、露光時にチルト補正を行い、図１１（ｂ）に示すようにレジスト５１の表面を水平状態とすると、パターン面が角度γ傾いた分だけ、シフト誤差（Ｓｈｉｆｔ）が発生する場合がある。そこで、本実施形態では、ＯＡ検出系２２ａを使用し、レジスト５１の表面からアライメントマーク２３までの間隔と、レジスト５１の表面傾きとを計測し、ウエハアライメント処理の際に補正値として反映させることで、シフト誤差による影響を低減させる。

図５は、本実施形態に係る露光装置１によるウエハアライメント処理を含む露光工程の流れを示すフローチャートである。また、図６は、シフト誤差の説明で使用した図１１に対応した、本実施形態におけるウエハアライメント処理を説明するための概略図である。ここで、図６（ａ）は、ＯＡ検出系２２ａによりウエハアライメント処理を行う際の状態を示している。また、図６（ｂ）は、本実施形態のウエハアライメント処理後に露光を行う状態を示している。まず、制御部８は、ＯＡ検出系２２ａに対してウエハ３に対するフォーカス位置差の取得指示を送信し、フォーカス位置の計測を開始させる。このとき、ＯＡ検出系２２ａは、図６（ａ）に示すようにアライメントマーク２３を検出対象とする。次に、制御部８は、ウエハステージ７を微小駆動させつつ、ＯＡ検出系用のＡＦ検出系により駆動ＡＦ計測を実施させ、アライメントマーク２３にフォーカスを合わせる（ベストフォーカス）。そして、ＯＡ検出系２２ａは、その状態でパターン面（パターン５２が重ね合わされる面）またはアライメントマーク面のフォーカス位置の計測を実施し、制御部８は、第１フォーカス位置およびチルト情報（傾き）を取得する（ステップＳ１０１）。ここで、特にチルト情報は、例えば、複数点で計測したフォーカス位置の計測結果を参照することで算出される。次に、制御部８は、ＡＦ検出系２１に対して、ステップＳ１０１で検出対象であったアライメントマーク２３が形成された面に垂直な位置に対応するレジスト５１の表面のフォーカス位置の計測を実施させ、第２フォーカス位置情報を取得する（ステップＳ１０２）。次に、制御部８は、ステップＳ１０１で得られた情報を記憶し、これらの情報に基づいてウエハステージ７を駆動させ、ウエハ３を露光位置に移動（ＸＹ軸移動）させる（ステップＳ１０３）。次に、制御部８は、ステップＳ１０１およびＳ１０２にて得られたフォーカス位置の計測結果を用いて、露光位置におけるＺ軸方向のフォーカス位置差、すなわちレジスト５１の厚みΔＺを算出する（ステップＳ１０４）。なお、このステップＳ１０４の工程は、ステップＳ１０３の前であってもよい。次に、制御部８は、ステップＳ１０４にて得られた厚みΔＺから求まるパターン面が、予め決められている焦点深度の範囲内にあるかどうかを判断する（ステップＳ１０５）。ここで、制御部８は、パターン面が焦点深度の範囲内にないと判定した場合（ＮＯ）、ウエハステージ７に対して、ウエハ３をＺ軸方向に移動させることで、パターン面が焦点深度の範囲内に入るようにフォーカス駆動させる（ステップＳ１０６）。なお、露光時のフォーカス位置の設定は、パターン面が焦点深度の範囲内に入っているのならば、任意である。一方、制御部８は、ステップＳ１０５にて、パターン面が焦点深度の範囲内にあると判定した場合（ＹＥＳ）、そのままステップＳ１０７に移行する。そして、制御部８は、ステップＳ１０１にて得られた各情報に基づいて露光を実施させる（ステップＳ１０７）。このとき、露光されるパターン５２を含む層は、図６（ｂ）に示すように、ウエハ３上のパターン面またはアライメントマーク面に合う（平行になる）こととなる。ここで、露光時のフォーカス位置は、露光スリット、露光ショット内におけるレジスト５１の厚みのおおよそ平均値の高さに合わせることが望ましい。これは、レジストの厚みは、露光スリット、露光ショット内の全域で平均値からの差が小さくなるため、露光時のパターン５２のデフォーカス量を全域に渡り小さくできるためである。なお、ここまでの説明では、検出対象のアライメントマーク２３を１つと想定した。ここで、ウエハ３のパターン面またはアライメントマーク面のグローバルな傾きを求めてウエハ全面でチルトを補正するグローバル計測を採用する場合には、ステップＳ１０１にて、３点以上のアライメントマーク２３を検出対象とすればよい。これに対して、ウエハ３内の各ショット領域Ｓの個々に対応した傾きを求めてチルトを補正するダイバイダイ計測を採用する場合には、ステップＳ１０１にて、あるショット領域Ｓ近傍の３点以上のアライメントマーク２３を検出対象とすればよい。

一方、レジスト５１の厚みΔＺが均一であったとしても、ＯＡ検出系２２ａの光軸が傾いている場合や処理工程の条件により、ＯＡ検出系２２ａの計測値に差異（ズレ）が生じる場合もある。この要因となるのは、例えば、ＯＡ検出系２２ａのテレセン傾きやレジスト５１の屈折率が挙げられる。そこで、より精度良くシフト誤差の補正を行うためには、これらの要素も考慮する必要がある。図７は、ＯＡ検出系２２ａの光軸がθ_１傾いた状態でアライメントマーク２３を検出している状態を示す概略図である。この場合、レジスト５１に入射した後の光軸の傾きをθ_２とすると、計測値のズレΔＳは、式（１）で表される。
ΔＳ＝ΔＺ×ｔａｎθ_２ （１）
ここで、レジスト５１の屈折率をｎとし、レジスト５１の表面の傾きをαとすると、スネルの法則より、式（２）が成り立つ。
ｓｉｎ（θ_１＋α）＝ｎ×ｓｉｎ（θ_２＋α） （２）
ここで、式（１）中のθ_２は、式（２）から算出できる。したがって、ＯＡ検出系２２ａの光軸が傾いている場合には、求められたズレΔＳを補正値として、ＯＡ検出系２２ａの実際の計測値に反映すればよい。

なお、上記説明では、レジスト５１がウエハ３上に１層のみ塗布されているとしたが、ウエハ３上には複数種類のレジストで材質の異なった層が構成されてもよい。この場合、レジスト５１の表面から複数層下の検出対象のアライメントマーク２３までの間隔を計測して、または、複数層を任意に分割もしくは合わせて計測して、上記のウエハアライメント処理に適用してもよい。また、上記説明では、レジスト５１の厚みΔＺは、処理対象となるウエハ３ごとに算出するものとしたが、例えば、ロット内の平均値または平均値近傍の値を代表する固定値として使用してもよい。同様に、レジスト５１の厚みΔＺは、１つのウエハ３に存在する全てのアライメントマークを計測せず、厚みΔＺが安定したプロセスであれば、代表点を計測し、そのときの値を固定値として使用してもよい。また、レジスト５１の厚みΔＺは、露光装置１内でのプロセスとは別の標準的なプロセスで計測し、各工程やレジスト５１に対する変化率情報を予め取得しておき、上記のウエハアライメント処理に適用してもよい。

また、上記説明では、ある１つの軸方向（Ｙ軸方向）でのアライメント補正値に着目したが、他の軸方向の補正についても同様である。また、例えば、１つのロットに含まれる複数のウエハ３に対して露光を行う場合、これらのウエハ３の形状状態が近似していると想定し、上記説明した露光工程の一部の工程を省略することもあり得る。例えば、ロットの１枚目のウエハ３に対しては、上記のとおり露光工程を実施し、２枚目以降のウエハ３に対しては、ステップＳ１０１を省略して、前に計測した位置情報を参考とすることもあり得る。また、上記説明では、ウエハアライメント処理シーケンス（ステップＳ１０１〜Ｓ１０６）と、露光シーケンス（ステップＳ１０７）とを直列で行う動作（例えばシングルステージシステム）とした。しかしながら、本発明は、これに限定することなく、ウエハアライメント処理シーケンスと露光シーケンスとを並列で行う動作（例えばツインステージシステム）にも適用可能である。さらに、ステップＳ１０１やＳ１０２での各種計測は、上記説明のように、露光装置１内の各種検出系で計測するだけでなく、露光装置１外にて予め計測し、制御部８は、計測結果を外部から取得し利用するものとしてもよい。

このように、露光装置１は、パターン面またはアライメントマーク面のチルト位置情報やレジスト５１の厚み情報を参照することで、露光時に発生し得るシフト誤差を補正した状態で露光することができる。これにより、従来よりも高精度な重ね合わせ精度を達成することができる。特に、レチクル２やウエハ３などの物体の位置情報を、像観察により高精度に、かつ安定性を維持して検出し、この検出された情報に基づいて重ね合わせ露光を行う際には好適となる。

以上のように、本実施形態によれば、シフト誤差を簡易的に補正し、ウエハ上に形成されるパターンの重ね合わせ精度の向上に有利な露光装置を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る露光装置について説明する。本実施形態に係る露光装置の特徴は、ウエハ３上のレジスト５１の表面が、第１実施形態とは異なり線形一次の傾きではない場合を想定している点にある。図８は、本実施形態におけるウエハアライメント処理を説明するための概略図である。ここで、ウエハ３は、ウエハチャック５０に保持された状態にある。また、ウエハ３の表面には、一例として２つのアライメントマーク（第１マーク２３ａ（ウエハステージ７の基準側面から距離Ｌ_１）、第２マーク２３ｂ（同様に基準側面から距離Ｌ_２））が形成されている。さらに、ウエハ３上にはレジスト５１が塗布されている。特に本実施形態では、レジスト５１には、断面で見ると中心部と周辺部との表面が凸となる（厚くなる）ような厚みムラが発生しているものと想定する。まず、図８中の（ａ）図は、ＯＡ検出系２２ａ（不図示）によりウエハアライメント処理を行う際の状態を示している。第１マーク２３ａと第２マーク２３ｂとの上方におけるレジスト５１の表面傾きは、この（ａ）図に示すように、それぞれ異なる。また、図８中の（ｂ）図は、（ａ）図とＸＹ平面方向で対応し、本実施形態のウエハアライメント処理後に第１マーク２３ａの位置で露光を行う状態を示している。さらに、図８中の（ｃ）図は、同様に（ａ）、（ｂ）図とＸＹ平面方向で対応し、本実施形態のウエハアライメント処理後に第２マーク２３ｂの位置で露光を行う状態を示している。以下、第１実施形態での図５を用いた説明を参照し、第１実施形態の場合と異なる点を上げる。まず、ステップＳ１０１およびＳ１０２では、制御部８は、第１マーク２３ａと第２マーク２３ｂとのそれぞれについて、同様に第１ベストフォーカス位置情報、チルト位置情報、および第２ベストフォーカス位置情報を取得する。次に、ステップＳ１０４では、露光位置における、第１マーク２３ａと第２マーク２３ｂとのそれぞれに対応するレジスト５１の厚みΔＺ_１、ΔＺ_２を算出する。次に、ステップＳ１０５では、制御部８は、厚みΔＺ_１、ΔＺ_２が、それぞれ予め決められている焦点深度の範囲内にあるかどうかを判断する。この場合も、制御部８は、厚みΔＺ_１、ΔＺ_２が焦点深度の範囲内にないと判定した場合には、ステップＳ１０６にて、厚みΔＺ_１、ΔＺ_２が焦点深度範囲内に入るようにフォーカス駆動させる。結果的に、露光されるパターン５２ａ、５２ｂを含む層は、（ｃ）図に示すように、ウエハ３上のパターン面またはアライメントマーク面に合う（平行になる）こととなる。このように、本実施形態によれば、ウエハ３上のレジスト５１の表面が線形一次の傾きではない場合でも、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る露光装置について説明する。上記各実施形態では、レジスト５１に厚みムラがある場合について説明した。これに対して、本実施形態に係る露光装置の特徴は、Ｓｉウエハ（シリコン基板）の裏面側にアライメントマークが存在しており、Ｓｉウエハを表面側から透過してアライメントマークを検出（観察）する裏面アライメントに適用する点にある。図９は、本実施形態にて処理対象とするウエハ（貼り合わせウエハ）６０の構成と、ウエハ６０を例えば真空吸着により保持するウエハチャック６１とを示す概略断面図である。ウエハ６０は、Ｓｉウエハ６２とガラスウエハ（ガラス基板、サポート基板）６３とを含み、Ｓｉウエハ６２とガラスウエハ６３とは、接着剤やオプティカルコンタクトなどにより接着されている。Ｓｉウエハ６２の表面には、レジスト６４（この場合最上層）が塗布されている。一方、Ｓｉウエハ６２の裏面には、金属などの材料からなるアライメントマーク６５が形成されている。このように、アライメントマーク６５は、Ｓｉウエハ６２とガラスウエハ６３との間に閉じ込められた状態にあるため、裏面アライメントの際には、ＯＡ検出系２２Ａは、赤外光を照射し、その反射光を捉えてその位置を計測することになる。ここで、ウエハチャック６１は、その表面で赤外光を反射することがあり、反射した赤外光がノイズ光となり、結果的にアライメントマーク像の画質劣化を引き起こす原因となる場合がある。そこで、ウエハ６０は、さらにガラスウエハ６３の裏面に、赤外光を反射しない反射防止膜６６を有する。なお、この反射防止膜６６をウエハ６０に設置しない代わりにウエハチャック６１を最低２層構造とし、そのうちウエハ６０と接する層を、赤外光を反射しない反射防止層とする構成としてもよい。さらに、ウエハチャック６１は、赤外光による温度上昇を抑制するために冷却機構および温度センサーを備えることで、ウエハ３の形状収縮を制御してもよい。このようなウエハ６０は、Ｓｉウエハ６２とガラスウエハ６３との間で、バイメタル効果により面形状が平坦とはならず、変形している場合がある。さらに、Ｓｉウエハ６２とガラスウエハ６３とを単体で見ても、それぞれ厚みムラが発生している。そこで、本実施形態では、ＯＡ検出系２２ａを使用して、レジスト６４の表面からアライメントマーク６５までの間隔と、アライメントマーク６５が形成された面の傾きとを計測し、ウエハアライメント処理の際に補正値として反映させる。これにより、シフト誤差による影響を低減させる。

図１０は、本実施形態におけるウエハアライメント処理（裏面アライメント）を説明するための概略図である。まず、図１０（ａ）は、ＯＡ検出系２２ａによりウエハアライメント処理を行う際の状態を示している。さらに、図１０（ｂ）は、本実施形態のウエハアライメント処理後に露光を行う状態を示している。以下、第１実施形態での図５を用いた説明を参照し、第１実施形態の場合と異なる点を上げる。特に、第１実施形態と異なる点は、ステップＳ１０１にて、制御部８は、同様に第１フォーカス位置およびチルト情報（傾き）を取得するが、Ｓｉウエハ６２の表面とアライメントマーク６５が存在するＳｉウエハ６２の裏面との２面を対象として行う点にある。このとき、特にＳｉウエハ６２の裏面に対する計測の際は、ＯＡ検出系２２ａの計測波長を赤外波長として行う。そして、以下のステップにてレジストの厚みΔＺを算出する際に、ここでのステップＳ１０１で得られた情報を反映させる。結果的に、露光されるパターン６７を含む層は、図１０（ｂ）に示すように、Ｓｉウエハ６２上のパターン面に合う（平行になる）こととなる。このように、本実施形態によれば、貼り合わせウエハを処理対象とし、裏面アライメントを実施する場合でも、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（デバイスの製造方法）
次に、本発明の一実施形態のデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイスなど）の製造方法について説明する。半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。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。本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 露光装置
２ レチクル
３ ウエハ
２３ アライメントマーク
５１ レジスト
５２ パターン

Claims (11)

1. 原版に形成されたパターンを基板のアライメントマークが形成された面の上に積層された層の表面上に投影する投影光学系を有する露光装置であって、
   前記アライメントマークを検出する検出系と、
   該検出系による前記アライメントマークの検出結果から前記アライメントマークが形成された面の傾きを計測し、前記アライメントマークが形成された面の傾きを補正したときの、前記アライメントマークが形成された面と前記層の表面との間の厚みに基づいて前記投影光学系によって前記パターンを投影する制御部とを有する、ことを特徴とする露光装置。
2. 前記制御部は、前記検出系によるアライメントマークの検出結果から、前記アライメントマークが形成された面が前記投影光学系の光軸に垂直となるように、前記アライメントマークが形成された面の傾きを補正することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記基板を保持して移動可能とする基板保持部を有し、
   前記制御部は、前記アライメントマークが形成された面と前記層の表面の間の前記光軸方向の厚みを取得し、該厚みが前記投影光学系の焦点深度の範囲内に入るように、前記基板保持部を駆動させることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. 露光時の前記投影光学系から投影されるパターン像のフォーカス位置は、前記厚みの範囲内で任意に設定される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 露光時の前記投影光学系から投影されるパターン像のフォーカス位置は、前記厚みの平均値に基づく位置である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
6. 前記制御部は、前記検出系により検出された複数の前記アライメントマークの像のフォーカス位置を計測することで、複数の前記アライメントマークの高さを計測した結果から前記アライメントマークが形成された面の傾きを計測することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の露光装置。
7. 前記検出系による前記アライメントマークの検出結果から計測される前記アライメントマークが形成された面の傾きは、前記基板の一部の領域を計測することで前記基板の全面における前記アライメントマークが形成された面の傾きを求めるグローバル計測、または、前記基板に形成されたショット領域ごと計測することで前記ショット領域ごとに前記アライメントマークが形成された面の傾きを求める計測を行うことによって求められることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の露光装置。
8. 前記層は、レジスト層であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の露光装置。
9. 前記アライメントマークが形成された面の上に積層された前記層は複数の層が形成され、
   前記複数の層は、シリコン基板、またはガラス基板からなる層を含み、
   前記複数の層の最上層は、レジスト層であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の露光装置。
10. 原版に形成されたパターンを基板のアライメントマークが形成された面の上に積層された層の表面上に投影光学系によって投影する露光方法であって、
    前記アライメントマークが形成された面の傾きを計測する工程と、
    該計測した計測結果に応じて前記アライメントマークが形成された面の傾きを補正する工程と、
    前記アライメントマークが形成された面の傾きを補正したときの、前記アライメントマークが形成された面と前記層の表面との間の厚みを求める工程と、
    前記アライメントマークが形成された面の傾きと前記厚みに基づいて前記投影光学系によって前記パターンを投影する工程と、
    を有することを特徴とする露光方法。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の露光装置、または請求項１０に記載の露光方法を用いて基板を露光する工程と、
    その露光した基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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