JP6269982B2 - マーク形成方法、マーク検出方法、及びデバイス製造方法 - Google Patents

マーク形成方法、マーク検出方法、及びデバイス製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板にマークを形成するマーク形成技術、基板に形成されたマークを検出するマーク検出技術、及びそのマーク形成技術又はマーク検出技術を用いるデバイス製造技術に関する。
半導体デバイスは、典型的には、基板上に形成される複数層の回路パターンを含み、半導体デバイスの製造工程でそれらの複数層の回路パターンを相互に正確に位置合わせするために、基板の所定層のマーク形成領域に位置決め用又は位置合わせ用のアライメントマークが形成される。基板が半導体ウエハ（以下、単にウエハという。）である場合には、アライメントマークはウエハマークとも呼ばれている。
半導体デバイスの従来の最も微細な回路パターンは、例えば露光波長が１９３ｎｍのドライ又は液浸法の露光装置を使用するドライ又は液浸リソグラフィ工程を用いて形成されていた。従来の光リソグラフィと、最近開発が行われているダブル・パターニング・プロセスとを組み合わせても、例えば２２ｎｍノードよりも微細な回路パターンを形成することは困難であると予想されている。
これに関して、最近、リソグラフィ工程を用いて形成されたパターン間に、ブロック共重合体（Block Co-Polymer）の指向性自己組織化（Directed Self-Assembly）を用いてナノスケールの微細構造（サブリソグラフィ構造）を生成することによって、現在のリソグラフィ技術の解像限界よりも微細な回路パターンを形成することが提案されている（例えば、特許文献１又は特開２０１０−２６９３０４号公報参照）。ブロック共重合体のパターン化された構造は、ミクロドメイン（ミクロ相分離ドメイン）又は単にドメインとしても知られている。
米国特許出願公開第２０１０／０２９７８４７号明細書
ブロック共重合体の指向性自己組織化を用いることによって基板のある層にナノスケールの微細な回路パターンを形成することが可能である。さらに、その層には回路パターンとともにアライメントマークを形成することが求められることもある。しかしながら、単に従来の方法でアライメントマークを形成すると、ブロック共重合体の自己組織化によってアライメントマーク自体にも予期しない微細構造が形成され、その後の工程でそのアライメントマークの検出が困難になると、基板の層間の重ね合わせ精度が低下する恐れがある。
本発明の態様は、このような事情に鑑み、ブロック共重合体の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に使用可能なマーク形成技術を提供することを目的とする。
第１の態様によれば、基板のマーク形成領域を含む領域にマスク像を露光し、そのマスク像の第１部分に基づいて、そのマーク形成領域に互いに形状が異なる第１マーク及び第２マークを形成することと、そのマーク形成領域を含む領域にブロック共重合体を含むポリマ層を塗布することと、塗布されたそのポリマ層の少なくとも一部に自己組織化領域を形成させることと、形成されるその自己組織化領域の一部を選択的に除去することと、その第１マーク及び第２マークを用いてその基板のそのマーク形成領域にそれぞれ第１の位置決め用のマーク及び第２の位置決め用のマークを形成することと、を含むマーク形成方法が提供される。
第２の態様によれば、第１の態様のマーク形成方法によって基板のマーク形成領域に形成されたその第１及び第２の位置決め用のマークの検出方法であって、その第１及び第２の位置決め用のマークの検出信号を生成することと、その生成された検出信号を評価することと、その評価の結果に基づいて、その第１及び第２の位置決め用のマークのうちでその基板の位置決めのために使用するマークを選択することと、を含むマーク検出方法が提供される。
第３の態様によれば、第１の態様のマーク形成方法を用いて基板に層間の位置合わせ用のマークを形成することと、その位置合わせ用のマークを用いて位置合わせを行って、その基板を露光することと、その露光された基板を処理することと、を含むデバイス製造方法が提供される。
本発明の態様によれば、互いに形状が異なる第１マーク及び第２マークを用いて第１及び第２の位置決め用のマークを形成しているため、ブロック共重合体の自己組織化が生じた場合でも、少なくとも一方の位置合わせ用マークを目標とする形状に形成できる。このため、ブロック共重合体の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に、その回路パターンとともに位置合わせ用のマークを形成できる。
（Ａ）は実施形態の一例で使用されるパターン形成システムの要部を示すブロック図、（Ｂ）は図１（Ａ）中の露光装置の概略構成を示す図である。 （Ａ）は実施形態の一例ウエハのあるデバイス層を示す平面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の一つのショット領域に付設された複数のウエハマーク及び当該ショット領域内の回路パターンの一部を示す拡大平面図である。 実施形態の一例のパターン形成方法を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）、及び（Ｈ）はそれぞれパターン形成工程中で次第に変化するウエハのパターンの一部を示す拡大断面図である。 （Ａ）はレチクルのマークパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）は図５（Ａ）中のＢ部の拡大平面図である。 （Ａ）は第１のウエハマーク用のレジストパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図６（Ａ）中のＢ部の異なる製造段階のパターンを示す拡大平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）はそれぞれ図６（Ａ）中のＢ部の異なる製造段階のパターンを示す拡大平面図である。 実施形態の一例で形成される第１のウエハマークの構成を示す拡大平面図である。 （Ａ）は第２のウエハマーク用のレチクルのパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ部を示す拡大図である。 （Ａ）は第２のウエハマーク用のレジストパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図１０（Ａ）中のＢ部の異なる製造段階のパターンを示す拡大平面図である。 ウエハの半径方向の位置と、この位置に形成されるウエハマークの形状との関係の一例を示す図である。 （Ａ）は、形成されたウエハマークの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）は図１２（Ａ）のマークの像の撮像信号の一例を示す図、（Ｃ）は図１２（Ｂ）の撮像信号の微分信号の一例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）はそれぞれ変形例のパターンの形成工程中で次第に変化するウエハのパターンの一部を示す拡大断面図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
本発明の好ましい実施形態の一例につき図１（Ａ）〜図１２（Ｃ）を参照して説明する。まず、本実施形態において半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）の回路パターンを形成するために使用されるパターン形成システムの一例につき説明する。
図１（Ａ）は、本実施形態のパターン形成システムの要部を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中のスキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査型の露光装置（投影露光装置）１００の概略構成を示す。図１（Ａ）において、パターン形成システムは、感光材料が塗布されたウエハ（半導体ウエハ）を露光する露光装置１００、ウエハに対する感光材料としてのフォトレジスト（レジスト）の塗布及び現像を行うコータ・デベロッパ２００、薄膜形成装置３００、ウエハに対するドライ又はウエットのエッチングを行うエッチング装置４００、後述のブロック共重合体（Block Co-Polymer:ＢＣＰ）を含むポリマ（Polymer）（重合体）の処理を行うポリマ処理装置５００、アニール装置６００、これらの装置間でウエハの搬送を行う搬送系７００、及びホストコンピュータ（不図示）等を含んでいる。
本発明で用いるブロック共重合体は、１つより多くのそれぞれブロック単位で存在するモノマ（単量体）を含むポリマ、又はそれらのモノマから誘導されるポリマである。モノマの各ブロックは、モノマの繰返し配列を含む。ブロック共重合体としては、ジブロック共重合体、又はトリブロック共重合体等の任意のポリマを使用可能である。これらのうち、ジブロック共重合体は、２つの異なるモノマのブロックを有する。ジブロック共重合体は、Ａ−ｂ−Ｂのように略記することができ、ここでＡは第１のブロックのポリマ、Ｂは第２のブロックのポリマ、−ｂ−はＡ及びＢのブロックを持つジブロック共重合体であることを示す。例えば、ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡは、ポリスチレン（ＰＳ）及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のジブロック共重合体を表す。鎖状のブロック共重合体に加えて、他の構造を有するブロック共重合体、例えば、星型共重合体、分岐共重合体、超分岐共重合体、又はグラフト共重合体を本発明のブロック共重合体として用いることもできる。
また、ブロック共重合体には、これを構成する各ブロック（モノマ）同士が集合してミクロドメイン又は単にドメインとも呼ばれる個別のミクロ相分離ドメインを形成する傾向（相分離の傾向）がある。この相分離は、自己組織化（Self-Assembly）の一種でもある。異なるドメインの間隔及び形態はブロック共重合体内の異なるブロックの相互作用、体積分率、及び数に依存する。ブロック共重合体のドメインは、例えばアニーリング（焼き鈍し）の結果として形成させることができる。アニーリングの一部である加熱又はベーキングは、基板及びその上のコーティング層（薄膜層）の温度を周囲温度より高く上昇させる一般的なプロセスである。アニーリングには、熱アニーリング、熱勾配アニーリング、溶媒蒸気アニーリング、又は他のアニーリング法を含むことができる。熱アニーリングは、場合により熱硬化と呼ばれ、相分離を誘起するのに用いられ、さらに、横方向のミクロ相分離ドメインの層内の欠陥を削減又は除去するためのプロセスとしても用いることができる。アニーリングは、一般には、ある時間（例えば、数分から数日）の間、ブロック共重合体のガラス転移温度より高温で加熱することを含む。
また、本実施形態では、ブロック共重合体を含むポリマに、指向性自己組織化（Directed Self-Assembly:ＤＳＡ）を適用して、半導体デバイスの回路パターン及び／又はアライメントマークの形成に適した形でセグメント化されたナノスケールオーダのドメインを形成させる。指向性自己組織化は、例えばリソグラフィ工程で形成されたレジストパターンをプレパターン又はガイドパターンとして、そのプレパターン又はガイドパターンで規定される空間配置（トポグラフィ的構造）で、ブロック共重合体のドメインの配置を制御する技術である。指向性自己組織化の方法としては、例えば立体的なプレパターン又はガイドパターンを使用するグラフォエピタキシ法(Grapho-Epitaxy Process)が使用されるが、下地に平面的なプレパターン又はガイドパターンを設けるキモエピタキシ法(Chemo-Epitaxy Process)も使用可能である。
図１（Ｂ）において、露光装置１００は、照明系１０、照明系１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬにより照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）の表面に投射する投影光学系ＰＬを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴ、及び装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御装置（不図示）等を備えている。以下、図１（Ｂ）において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する平面（ほぼ水平面）内でレチクルＲとウエハＷとが相対走査される方向に沿ってＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向に沿ってＸ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。
照明系１０は、例えば米国特許出願公開第２００３／０２５８９０号明細書などに開示されるように、照明光ＩＬを発生する光源、及び照明光ＩＬでレチクルＲを照明する照明光学系を含む。照明光ＩＬとしては、一例としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、照明光ＩＬとしては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザ若しくは固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波なども使用できる。
照明光学系は、偏光制御光学系、光量分布形成光学系（回折光学素子又は空間光変調器など）、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ又はロッドインテグレータ（内面反射型インテグレータ）など）等を含む照度均一化光学系、及びレチクルブラインド（固定及び可変の視野絞り）等（いずれも不図示）を有する。照明系１０は、レチクルブラインドで規定されたレチクルＲのパターン面（下面）のＸ方向に細長いスリット状の照明領域ＩＡＲを、２極照明、４極照明、輪帯照明、又は通常照明等の照明条件で、所定の偏光状態の照明光ＩＬによりほぼ均一な照度分布で照明する。
また、レチクルＲを真空吸着等により保持するレチクルステージＲＳＴは、レチクルベース（不図示）のＸＹ平面に平行な上面に、Ｙ方向に一定速度で移動可能に、かつＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角が調整可能に載置されている。レチクルステージＲＳＴの位置情報は、複数軸のレーザ干渉計を含むレチクル干渉計１８によって、移動鏡１４（又はステージの鏡面加工された側面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１８の計測値に基づいてリニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系（不図示）を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度が制御される。
また、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒２４と、該鏡筒２４内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲの照明領域ＩＡＲ内の回路パターンの像が、ウエハＷの一つのショット領域内の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。本実施形態の基板としてのウエハ（半導体ウエハ）Ｗは、例えばシリコン（又はＳＯＩ(silicon on insulator)等でもよい）からなる直径が２００〜４５０ｍｍ程度の円板状の基材の表面にパターン形成用の薄膜（酸化膜、金属膜、ポリシリコン膜等）を形成したものを含む。さらに、露光対象のウエハＷの表面には、フォトレジストが所定の厚さ（例えば数１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度）で塗布される。
また、露光装置１００は、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ２６を保持する鏡筒２４の下端部周囲を取り囲むように、先端レンズ２６とウエハＷとの間に液体Ｌｑを供給するための局所液浸装置３０の一部を構成するノズルユニット３２が設けられている。ノズルユニット３２の液体Ｌｑの供給口は、供給流路及び供給管３４Ａを介して液体供給装置（不図示）に接続されている。ノズルユニット３２の液体Ｌｑの回収口は、回収流路及び回収管３４Ｂを介して液体回収装置（不図示）に接続されている。局所液浸装置３０の詳細な構成は、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書等に開示されている。
また、ウエハステージＷＳＴは、ベース盤１２のＸＹ平面に平行な上面１２ａに、Ｘ方向、Ｙ方向、及びθｚ方向に移動可能に載置されている。ウエハステージＷＳＴは、ステージ本体２０、ステージ本体２０の上面に搭載されたウエハテーブルＷＴＢ、並びにステージ本体２０内に設けられて、ステージ本体２０に対するウエハテーブルＷＴＢ（ウエハＷ）のＺ方向の位置（Ｚ位置）、及びθｘ方向、θｙ方向のチルト角を相対的に駆動するＺ・レベリング機構を備えている。ウエハテーブルＷＴＢには、ウエハＷを真空吸着等によってほぼＸＹ平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。ウエハテーブルＷＴＢの上面のウエハホルダ（ウエハＷ）の周囲には、ウエハＷの表面（ウエハ面）とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面を有する平板状のプレート（撥液板）２８が設けられている。さらに、露光中に、例えば斜入射方式のオートフォーカスセンサ（不図示）の計測値に基づいて、ウエハ面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、ウエハステージＷＳＴのＺ・レベリング機構が駆動される。
また、ウエハテーブルＷＴＢのＹ方向及びＸ方向の端面には、それぞれ鏡面加工によって反射面が形成されている。ウエハ干渉計１６を構成する複数軸のレーザ干渉計からその反射面（移動鏡でもよい）にそれぞれ干渉計ビームを投射することで、ウエハステージＷＳＴの位置情報（少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）が例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測されている。この計測値に基づいてリニアモータ等を含むウエハステージ駆動系（不図示）を制御することで、ウエハステージＷＳＴの位置及び速度が制御される。なお、ウエハステージＷＳＴの位置情報は、回折格子状のスケールと検出ヘッドとを有するエンコーダ方式の検出装置で計測してもよい。
また、露光装置１００は、ウエハＷの所定のウエハマーク（アライメントマーク）の位置を計測する画像処理方式のＦＩＡ（Field Image Alignment）系よりなるウエハアライメント系ＡＬＳ、及びレチクルＲのアライメントマークの投影光学系ＰＬによる像の位置を計測するために、ウエハステージＷＳＴに内蔵された空間像計測系（不図示）を備えている。これらの空間像計測系（レチクルアライメント系）及びウエハアライメント系ＡＬＳを用いて、レチクルＲとウエハＷの各ショット領域とのアライメントが行われる。
ウエハＷの露光時には、ウエハステージＷＳＴをＸ方向、Ｙ方向に移動（ステップ移動）することで、ウエハＷの露光対象のショット領域が露光領域ＩＡの手前に移動する。さらに、局所液浸装置３０から投影光学系ＰＬとウエハＷとの間に液体Ｌｑが供給される。そして、レチクルＲのパターンの一部の投影光学系ＰＬによる像をウエハＷの一つのショット領域に投影しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを介してレチクルＲ及びウエハＷをＹ方向に同期して移動することで、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。そのステップ移動と走査露光とを繰り返すことによって、ステップ・アンド・スキャン方式及び液浸方式で、ウエハＷの各ショット領域にそれぞれレチクルＲのパターンの像が露光される。
次に、本実施形態で製造対象とするデバイス用パターンは、一例として、半導体素子としてのＳＲＡＭ(Static RAM)のゲートセル用の回路パターンであり、この回路パターンは、ブロック共重合体を含むポリマの指向性自己組織化（ＤＳＡ）を用いて形成される。さらに、本実施形態では、このデバイス用パターンが形成されるウエハＷのデバイス層には、位置決め用又は位置合わせ用のアライメントマークとしてのウエハマークも形成される。
図２（Ａ）は、そのデバイス用パターン及びウエハマークが形成されたウエハＷを示す。図２（Ａ）において、ウエハＷの表面にはＸ方向、Ｙ方向に所定幅のスクライブライン領域ＳＬ（マーク形成領域）を隔てて多数のショット領域ＳＡ（デバイス用パターン形成領域）が設けられ、各ショット領域ＳＡ内にはデバイス用パターンＤＰ１が形成され、各ショット領域ＳＡに付設されたスクライブライン領域ＳＬには互いに形状の異なる第１及び第２のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２が形成されている。ウエハＷの直径が例えば３００ｍｍであれば、ウエハＷの表面に一例として１００個程度のショット領域ＳＡが形成される。なお、ウエハＷの直径は３００ｍｍに限られず、４５０ｍｍなどの大型ウエハを用いてもよい。
図２（Ａ）のＢ部の拡大図である図２（Ｂ）に示すように、デバイス用パターンＤＰ１は、Ｙ方向に伸びる複数のラインパターン４０ＸａをＸ方向にほぼ周期（ピッチ）ｐｘ１で配列したライン・アンド・スペースパターン（以下、Ｌ＆Ｓパターンという。）４０Ｘ、及びＸ方向に伸びる複数のラインパターンをＹ方向にほぼ周期ｐｙ１で配列したＬ＆Ｓパターン４０Ｙを含む。ラインパターン４０Ｘａ等は例えば金属よりなり、その線幅は周期ｐｘ１等の１／２以下程度である。一例として周期ｐｘ１，ｐｙ１はほぼ等しく、周期ｐｘ１は、それぞれ波長１９３ｎｍの液浸リソグラフィと、例えばいわゆるダブル・パターニング・プロセスとを組み合わせた場合に得られる最も微細な周期（以下、周期ｐｍｉｎという。）の数分の１程度である。その周期ｐｘ１の１／２は、例えば２２ｎｍ程度より小さい。このような微細な周期を持つＬ＆Ｓパターン４０Ｘ，４０Ｙを形成する場合には、ブロック共重合体を含むポリマに指向性自己組織化を行わせるときに、異なるブロック毎にライン状のドメインが形成される。
また、スクライブライン領域ＳＬの第１のウエハマークＷＭ１は、それぞれＹ方向に細長くＸ方向の幅が同じ程度のラインパターン領域４４Ｘａ及びスペースパターン領域４４ＸｂをＸ方向に周期ｐ１で配列したＸ軸のウエハマーク４４Ｘ、及びそれぞれＸ方向に細長くＹ方向の幅が同じ程度のラインパターン領域４４Ｙａ及びスペースパターン領域４４ＹｂをＹ方向に周期ｐ２で配列したＹ軸の２箇所のウエハマーク４４ＹＡ，４４ＹＢを含む。一例として、ウエハマーク４４ＹＡ，４４ＹＢはウエハマーク４４ＸをＹ方向に挟むように配置されている。同様に、スクライブライン領域ＳＬの第２のウエハマークＷＭ２は、それぞれＹ方向に細長いラインパターン領域４４Ｘａ１及びスペースパターン領域４４Ｘｂ１をＸ方向に周期ｐ１Ａで配列したＸ軸のウエハマーク４４Ｘ１、及びそれぞれＸ方向に細長いラインパターン領域４４Ｙａ１及びスペースパターン領域４４Ｙｂ１をＹ方向に周期ｐ２Ａで配列したＹ軸の２箇所のウエハマーク４４ＹＡ１，４４ＹＢ１を含む。
一例として、周期ｐ１と周期ｐ２とは互いに等しい。また、周期ｐ１Ａと周期ｐ２Ａとは互いに等しい。周期ｐ１及びｐ１Ａはそれぞれ波長１９３ｎｍの液浸リソグラフィでの解像限界（周期）の数倍から数１０倍程度である。本実施形態では、周期ｐ１Ａは周期ｐ１よりもある程度、例えば数％〜数１０％程度大きく設定されている。なお、後述のように、ラインパターン領域４４Ｘａ，４４Ｘａ１内にブロック共重合体の指向性自己組織化を用いて微細構造が形成され、かつラインパターン領域４４Ｘａ，４４Ｘａ１内の微細構造が互いに異なる場合には、周期ｐ１Ａ及び周期ｐ１は同一又は同じ程度でもよい。
さらに、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のラインパターン領域４４Ｘａ，４４Ｙａ，４４Ｘａ１，４４Ｙａ１と、スペースパターン領域４４Ｘｂ，４４Ｙｂ，４４Ｘｂ１，４４Ｙｂ１とは、図１（Ｂ）のウエハアライメント系ＡＬＳで検出した場合に検出光に対する反射率が異なる領域であればよい。この場合、ウエハアライメント系ＡＬＳの検出光の波長λａ、対物光学系の開口数ＮＡを用いると、ウエハアライメント系ＡＬＳの解像限界（光学的に検出できる限界）はλａ／（２ＮＡ）となる。また、ウエハアライメント系ＡＬＳでウエハマーク４４Ｘ，４４ＹＡ，４４Ｘ１，４４ＹＡ１等を検出するためには、ウエハマーク４４Ｘ，４４Ｘ１の周期ｐ１，ｐ１Ａの１／２はその解像限界以上である必要があり、ウエハアライメント系ＡＬＳでウエハマーク４４Ｘ，４４ＹＡ，４４Ｘ１，４４ＹＡ１等を検出できる条件は、次のようになる。
ｐ１／２≧λａ／（２ＮＡ）、及び ｐ１Ａ／２≧λａ／（２ＮＡ）…（１）
一例として、波長λａを６００ｎｍ、開口数ＮＡを０．９とすると、周期ｐ１，ｐ１Ａはそれぞれ６７０ｎｍ程度以上であればよい。本実施形態では、デバイス用パターンＤＰ１の形成時にライン状のドメインが形成される指向性自己組織化が適用されるため、ウエハマーク４４Ｘ，４４Ｘ１等の形成に際しても、ブロック共重合体の指向性自己組織化によってライン状のドメインが形成されることを考慮しておく必要がある。
以下、本実施形態のパターン形成システムを用いて図２（Ｂ）に示すウエハマークＷＭ１，ＷＭ２を形成するためのパターン形成方法の一例につき図３のフローチャートを参照して説明する。なお、以下では主に第１のウエハマークＷＭ１のウエハマーク４４Ｘが形成される過程を説明するが、これと並行して、第１のウエハマークＷＭ１のウエハマーク４４ＹＡ，４４ＹＢ、第２のウエハマークＷＭ２、及びデバイス用パターンＤＰ１も形成される。一例として、図４（Ａ）に示すように、ウエハＷの例えばシリコン等の基材５０の表面部をウエハマーク及びデバイス用パターンが形成される第１のデバイス層ＤＬ１とする。
まず、図３のステップ１０２において、薄膜形成装置３００を用いて、ウエハＷのデバイス層ＤＬ１の表面に酸化膜又は窒化膜等のハードマスク層５２を形成する。ハードマスク層５２上には、後述のブロック共重合体を含むポリマ層が形成され易いように中性層（不図示）を形成してもよい。そして、この上にコータ・デベロッパ２００を用いて、例えばポジ型のレジスト層５４をコーティングする（図４（Ａ）参照）。なお、ハードマスク層５２としては、反射防止膜（Bottom Anti-Reflection Coating: BARC）を使用してもよい。そして、露光装置１００のレチクルステージＲＳＴにデバイス層ＤＬ１用のパターンが形成されたレチクル（レチクルＲ１とする）をロードし、Ｘ方向及びＹ方向に最も微細なパターンが露光できるように露光装置１００の照明条件を例えば４極照明に設定し、ウエハＷをウエハステージＷＳＴにロードする（ステップ１０４）。そして、ウエハＷの各ショット領域ＳＡにレチクルＲ１のデバイス用パターンの像（不図示）を液浸法で露光する。また、各ショット領域ＳＡに露光する際に同時に、各ショット領域ＳＡに付設されたスクライブライン領域ＳＬに、レチクルＲ１のウエハマーク用のパターンの像４６ＸＰ等が露光される（ステップ１０６）。露光済みのウエハはアンロードされ、コータ・デベロッパ２００でレジストの現像が行われ、レジストパターン５４Ａ（図４（Ｂ）参照）が形成される。その後、レジストパターン５４Ａのスリミング及びレジスト硬化処理が行われる（ステップ１０８）。なお、レチクルＲ１のパターンの像の露光時に、レジストパターンの線幅が細くなるように露光量を大きく調整しておくことも可能であり、この場合には、スリミングを省略可能である。
図５（Ａ）に示すように、レチクルＲ１のスクライブライン領域ＳＬに対応するパターン領域には、第１のウエハマークＷＭ１の原版であるＸ軸及びＹ軸のマークパターン４６Ｘ，４６ＹＢが形成されている。マークパターン４６Ｘ，４６ＹＢは、それぞれ図２（Ｂ）のラインパターン領域４４Ｘａ，４４Ｙａに対応するライン領域４６Ｘａ，４６Ｙａと、スペースパターン領域４４Ｘａ，４４Ｙａに対応する遮光膜ＳＨＲよりなるスペース領域４６Ｘｂ，４６ＹｂとをＸ方向及びＹ方向に周期ｐ１／β及びｐ２／β（βは投影倍率）で配列したものである。ライン領域４６Ｘａ，４６Ｙａの幅とスペース領域４６Ｘｂ，４６Ｙｂの幅とはほぼ同じである。なお、以下では説明の便宜上、レチクルのパターンの投影光学系ＰＬによる像は正立像であるとする。
ライン領域４６Ｘａ，４６Ｙａには、それぞれ光透過部を背景として、Ｙ方向に細長い遮光膜よりなる複数のラインパターン４８ＸがＸ方向に周期ｐ３／β（図５（Ａ）のＢ部の拡大図である図５（Ｂ）参照）で形成されている。ラインパターン４８Ｘの線幅は対応する周期ｐ３／βの１／２である。本実施形態では、周期ｐ３／βは、露光装置１００の投影光学系ＰＬの物体面側での解像限界（波長１９３ｎｍの液浸リソグラフィでの解像限界）に比べてわずかに大きい程度である。このため、レチクルＲ１のマークパターン４６Ｘ，４６ＹＢ（複数のラインパターン４８Ｘの組み合わせ）の像４６ＸＰ等は、露光装置１００によってウエハＷのスクライブライン領域ＳＬに高精度に露光される。
図６（Ａ）は、図５（Ａ）のレチクルＲ１のマークパターン４６Ｘ，４６ＹＢの像のレジスト層５４への露光、現像、及びスリミング後に、ウエハＷのハードマスク層５２上に形成されるレジストパターンよりなるＸ軸及びＹ軸のレジストマークＲＰＸ，ＲＰＹＢを示す。図６（Ａ）において、レジストマークＲＰＸ，ＲＰＹＢは、それぞれ図５（Ａ）のレチクルＲ１のライン領域４６Ｘａ，４６Ｙａに対応するライン領域ＲＰＸａ，ＲＰＹａと、スペース領域４６Ｘｂ，４６Ｙｂに対応するスペース領域ＲＰＸｂ，ＲＰＹｂとをＸ方向及びＹ方向に周期ｐ１及びｐ２で配列したものである。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ部の拡大図であり、図６（Ｃ）及び図７（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図６（Ａ）のＢ部に対応する部分の拡大図である。
スペース領域ＲＰＸｂ，ＲＰＹｂ（ここではライン領域ＲＰＸａ，ＲＰＹａを囲む領域）は、それぞれレジスト膜部５４Ｓ（凸の領域）である（図６（Ｂ）参照）。ライン領域ＲＰＸａ，ＲＰＹａには、それぞれＹ方向に細長い凸の複数のライン状のパターン（以下、ガイドパターンと呼ぶ。）５４ＢがＸ方向に周期ｐ３で形成されている。ガイドパターン５４Ｂの線幅は、例えば周期ｐ３（ここでは波長１９３ｎｍの液浸リソグラフィでの周期換算の解像限界よりわずかに大きい程度）の数分の１〜数１０分の１程度である（図４（Ｂ）参照）。なお、図４（Ａ）〜（Ｈ）は、図６（Ｂ）のＤＤ線に沿う部分に対応する部分の断面図である。
また、図９（Ａ）に示すように、レチクルＲ１の第１のウエハマークＷＭ１の原版パターンに近接した領域には、第２のウエハマークＷＭ２の原版であるＸ軸及びＹ軸のマークパターン４６Ｘ１，４６ＹＢ１が形成されている。マークパターン４６Ｘ１，４６ＹＢ１は、それぞれ図２（Ｂ）のラインパターン領域４４Ｘａ１，４４Ｙａ１に対応するライン領域４６Ｘａ１，４６Ｙａ１と、スペースパターン領域４４Ｘａ１，４４Ｙａ１に対応する遮光膜ＳＨＲよりなるスペース領域４６Ｘｂ１，４６Ｙｂ１とをＸ方向及びＹ方向に周期ｐ１Ａ／β及びｐ２Ａ／β（βは投影倍率）で配列したものである。ライン領域４６Ｘａ１，４６Ｙａ１の幅とスペース領域４６Ｘｂ１，４６Ｙｂ１の幅とはほぼ同じである。
ライン領域４６Ｘａ１，４６Ｙａ１には、それぞれ光透過部を背景として、Ｙ方向に細長い遮光膜のラインパターン４８Ｘ１がＸ方向に周期ｐ３Ａ／β（図９（Ａ）のＢ部の拡大図である図９（Ｂ）参照）で形成されている。ラインパターン４８Ｘ１の線幅は対応する周期ｐ３Ａ／βの１／２である。本実施形態では、周期ｐ３Ａ／βは、露光装置１００の投影光学系ＰＬの物体面側での解像限界（波長１９３ｎｍの液浸リソグラフィでの解像限界）とほぼ同じである。また、ラインパターン４８Ｘ１の周期ｐ３Ａ／βは、第１のウエハマークＷＭ１用の図５（Ｂ）のラインパターン４８Ｘの周期ｐ３／βよりも小さく設定されている。レチクルＲ１のマークパターン４６Ｘ１，４６ＹＢ１（複数のラインパターン４８Ｘ１の組み合わせ）の像も、露光装置１００によってウエハＷのスクライブライン領域ＳＬに高精度に露光される。
図１０（Ａ）は、図９（Ａ）のレチクルＲ１のマークパターン４６Ｘ１，４６ＹＢ１の像のレジスト層５４への露光、現像、及びスリミング後に、ウエハＷのハードマスク層５２上に形成されるＸ軸及びＹ軸のレジストマークＲＰＸ１，ＲＰＹＢ１を示す。図１０（Ａ）において、レジストマークＲＰＸ１，ＲＰＹＢ１は、それぞれ図９（Ａ）のレチクルＲ１のライン領域４６Ｘａ１，４６Ｙａ１に対応するライン領域ＲＰＸａ１，ＲＰＹａ１と、スペース領域４６Ｘｂ１，４６Ｙｂ１に対応するスペース領域ＲＰＸｂ１，ＲＰＹｂ１とをＸ方向及びＹ方向に周期ｐ１Ａ及びｐ２Ａで配列したものである。また、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ図１０（Ａ）のＢ部及びこれに対応する部分の拡大図である。
スペース領域ＲＰＸｂ１，ＲＰＹｂ１は、それぞれレジスト膜部５４Ｓ（凸の領域）である（図１０（Ｂ）参照）。ライン領域ＲＰＸａ１，ＲＰＹａ１には、それぞれＹ方向に細長い凸の複数のライン状のパターン（以下、ガイドパターンと呼ぶ。）５４Ｂ１がＸ方向に周期ｐ３Ａで形成されている。ガイドパターン５４Ｂ１の線幅は、例えば周期ｐ３Ａ（ここでは波長１９３ｎｍの液浸リソグラフィでの周期換算の解像限界と同じ程度）の数分の１〜数１０分の１程度である。
次にステップ１１０において、図６（Ａ）のレジストマークＲＰＸ，ＲＰＹＢが形成されたウエハＷをポリマ処理装置５００に搬送し、例えばスピンコーティングによって、ウエハＷ上のレジストマークＲＰＸ，ＲＰＹＢ，ＲＰＸ１，ＲＰＹＢ１等及びデバイスパターン形成用のレジストパターン（不図示）を覆うように、ブロック共重合体（ＢＣＰ）を含むポリマ層５６を形成（塗布）する。本実施形態では、ブロック共重合体として、一例としてポリスチレン（ＰＳ）及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のジブロック共重合体（ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡ）を使用する。また、ポリマ層５６はブロック共重合体そのものであるが、これに塗布性を高めるための溶媒及び／又は自己組織化を容易にする添加物等が含まれていてもよい。スピンコーティングによって、ポリマ層５６は、レジストマークＲＰＸ，ＲＰＹＢ等を構成する凸の複数のガイドパターン５４Ｂ，５４Ｂ１間の凹部７０Ａ等に堆積される（図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、及び図６（Ｃ）参照）。
そして、ポリマ層５６が形成されたウエハＷをアニール装置６００に搬送し、ポリマ層５６にアニーリング（例えば熱アニーリング）を施すことによって、ポリマ層５６を指向性自己組織化（ＤＳＡ）によって２種類のドメインに分離する（ステップ１１２）。この場合の指向性自己組織化によって、Ｙ方向に細長い複数のガイドパターン５４Ｂ間のポリマ層５６は、図４（Ｄ）及び図７（Ａ）に示すように、Ｙ方向に細長いライン状のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）よりなる親液性の第１のドメイン５６Ａと、Ｙ方向に細長いライン状のＰＳ（ポリスチレン）よりなる撥液性の第２のドメイン５６ＢとをＸ方向に周期ｐ３ａで配置した状態に相分離する。ガイドパターン５４Ｂ（レジストパターン）は親液性であるため、ガイドパターン５４Ｂに隣接する部分に親液性のドメイン５６Ａが形成される。周期ｐ３ａは、例えば複数のガイドパターン５４Ｂの周期ｐ３の数分の１〜１０分の１程度であり、２種類のドメイン５６Ａ，５６ＢのＸ方向の幅は互いにほぼ同じである。第２のウエハマークＷＭ２用の複数のガイドパターン５４Ｂ１間のポリマ層５６も第１及び第２のドメインに相分離する。本実施形態では、ポリマ層５６は、細長いガイドパターン５４Ｂ，５４Ｂ１に沿って細長い２種類のドメインに分離する。この際に、ポリマ層５６（ウエハＷ）のアニーリングに関しても、細長い２種類のドメインに分離しやすい条件が使用される。
そして、ウエハＷをエッチング装置４００に搬送し、例えば酸素プラズマエッチングを施して、図７（Ｂ）及び図４（Ｅ）に示すように、ウエハＷに形成されたドメイン５６Ａ，５６Ｂのうちの親液性の第１のドメイン５６Ａを選択的に除去する（ステップ１１４）。その後、レジストマークＲＰＸ，ＲＰＹＢ（ガイドパターン５４Ｂ）、レジストマークＲＰＸ１，ＲＰＹＢ１（ガイドパターン５４Ｂ１）、及び周期的に残されている撥液性のドメイン５６Ｂをマスクとして、ウエハＷのハードマスク層５２のエッチングを行ってハードマスク層５２に複数の開口５２ａを形成し（図４（Ｆ）参照）、残されているレジスト及びドメイン５６Ｂを除去する（ステップ１１６）。そして、複数の開口５２ａが形成されたハードマスク層５２を介してウエハＷの第１のデバイス層ＤＬ１のエッチングを行って、図４（Ｇ）に示すように、デバイス層ＤＬ１の複数のドメイン５６Ａに対応する領域にそれぞれＹ方向に細長い複数の凹部ＤＬ１Ｘａを形成する（ステップ１１８の前半部）。
さらに、ウエハＷを薄膜形成装置３００に搬送し、ウエハＷのデバイス層ＤＬ１の凹部ＤＬ１Ｘａに金属（例えば銅）を埋め込んで、図４（Ｈ）に示すように、Ｙ方向に細長いラインパターン５８Ｘを形成する（ステップ１１８の後半部）。図７（Ｃ）に示すように、複数のラインパターン５８ＸのＸ方向の周期はｐ３ａであり、ラインパターン５８Ｘの線幅はほぼ周期ｐ３ａの１／２である。同様に、ウエハＷのデバイス層ＤＬ１の第１のウエハマークＷＭ２用のラインパターン領域４４Ｘａ１領域には、図１０（Ｃ）に示すように、Ｘ方向に周期ｐ３Ａａで配列された複数の金属のラインパターン５８Ｘ１が形成され、スペースパターン領域４４Ｘｂ１は下地のままである。
以上の工程によって、ウエハＷの第１のデバイス層ＤＬ１のスクライブライン領域ＳＬには、図８に示すように、ウエハマーク４４Ｘ，４４ＹＡ，４４ＹＢよりなる第１のウエハマークＷＭ１が形成される。すなわち、複数の金属のラインパターン５８Ｘがほぼ周期ｐ３ａでＸ方向に配列されたラインパターン領域４４Ｘａと、下地パターンよりなるスペースパターン領域４４ＸｂとをＸ方向に周期ｐ１で配列したＸ軸のウエハマーク４４Ｘが形成される。さらに、ウエハマーク４４ＸをＹ方向に挟むように、ラインパターン５８Ｘ（ウエハマーク４４Ｘの場合よりも短い）がほぼ周期ｐ３ａでＸ方向に配列されたラインパターン領域４４Ｙａと、下地パターンよりなるスペースパターン領域４４ＹｂとをＹ方向に周期ｐ２（ここではｐ１と等しい）で配列したＹ軸の２箇所のウエハマーク４４ＹＡ，４４ＹＢが形成される。同様に、図２（Ｂ）の第２のウエハマークＷＭ２も形成される。
また、図８の第１のウエハマークＷＭ１が形成されるのと同時に、ウエハＷの各ショット領域ＳＡには、ウエハマークの場合と同様にブロック共重合体を含むポリマ層の指向性自己組織化を用いて、図２（Ｂ）に示すＬ＆Ｓパターン４０Ｘ，４０Ｙが形成されている。
その後、ウエハＷのデバイス層ＤＬ１上に第２のデバイス層を形成する場合には、ウエハＷのデバイス層ＤＬ１上に薄膜を形成し、レジストをコーティングする（ステップ１２０）。そして、露光装置１００のレチクルステージＲＳＴにレチクルＲ２をロードし、ウエハＷをウエハステージＷＳＴにロードする（ステップ１２２）。さらに、露光装置１００のウエハアライメント系ＡＬＳによって、ウエハＷの全部のショット領域ＳＡのうちから選択された複数のショット領域（いわゆるアライメントショット）に付設された複数対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２（図２（Ｂ）参照）の位置を検出する（ステップ１２４）。ウエハＷに例えば１００個程度のショット領域ＳＡが形成されている場合、一例として２０個程度のアライメントショットが選択される。これらのアライメントショットに付設された複数対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２には、ウエハＷの中心から半径方向に互いに異なる距離にある複数のスクライブライン領域ＳＬに形成された複数対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２が含まれている。
その後、ウエハアライメント系ＡＬＳの検出信号を処理する演算部（不図示）では、計測された全部のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の検出信号の良否判定を行う（ステップ１２６）。ここでは、図１２（Ａ）に示す第１のウエハマークＷＭ１のＸ軸のウエハマーク４４Ｘについて、この検出信号の良否判定の方法の一例につき説明する。第２のウエハマークＷＭ２のＸ軸のウエハマーク４４Ｘ１についても同様に良否判定が行われる。
この良否判定に関して、本実施形態では、ステップ１１０で、スピンコーティングによりウエハＷにブロック共重合体を含むポリマ層５６を塗布しているが、スピンコーティングの場合には、ウエハＷの中心からの距離（半径方向の位置）が大きくなるほどポリマ層５６が薄くなる傾向があると予想される。
本発明者は、ウエハマーク用のレジストパターンにガイドパターンを形成しない状態で、かつポリマ層５６の厚さを変えて、上記のマーク形成方法で直径３００ｍｍのウエハの表面にウエハマークを形成し、形成されたウエハマークのラインパターン領域の幅（以下、線幅ＣＤ（critical dimension）という）を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で計測してみた。その線幅ＣＤの設計値はほぼ１μｍ程度である。
図１１は、その線幅ＣＤの計測結果を示す。図１１において、横軸は計測されたウエハマークのウエハの中心からの半径方向及び逆方向の位置ｒ（ｍｍ）である。また、実線の曲線Ｂ１は、ポリマ層５６が薄い場合の線幅ＣＤの計測結果、点線の曲線Ｂ２は、ポリマ層５６が厚い場合の線幅ＣＤの計測結果であり、曲線Ｂ１の最大値がほぼ設計値となっている。曲線Ｂ２より、ポリマ層５６が厚いほど、ガイドパターンがない領域にポリマ層５６の指向性自己組織化によってパターンの微細構造が多く形成されることによって、線幅ＣＤが大きく変化することが分かる。さらに、曲線Ｂ１，Ｂ２より、ウエハの中心から半径方向に離れるほどに、ポリマ層５６の指向性自己組織化に起因する線幅ＣＤの設計値からの偏差が小さくなる傾向があることが分かる。これは、ウエハの中心から半径方向に離れるほどに、ポリマ層５６が薄くなる傾向があることを意味している。
このウエハの中心から半径方向に離れるほどに、ポリマ層５６が薄くなる傾向があるという現象は、本実施形態のパターン形成方法においても現れていると予想される。この場合、例えば図８の第１のウエハマークＷＭ１のウエハマーク４４Ｘのラインパターン領域４４Ｘａ内の複数のラインパターン５８Ｘの形状（線幅、直線性、周期等）、及び図１０（Ｃ）の第２のウエハマークＷＭ２のウエハマーク４４Ｘ１のラインパターン領域４４Ｘａ１内の複数のラインパターン５８Ｘ１の形状が、それぞれウエハＷの中心からの距離に応じて変化することになる。この結果、ウエハＷの中心からの距離に応じて、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の撮像信号が変化して、位置の検出結果の目標値からのずれが大きくなるマークが生じる恐れがある。そこで、本実施形態では、例えばスピンコーティングに起因するポリマ層５６の厚さむらによって、検出信号が許容範囲を超えて変化したウエハマークＷＭ１，ＷＭ２については、アライメントに使用しないこととする。そして、その検出信号が許容範囲を超えて変化したかどうかを判定するために、以下で説明する特徴部を求めている。
本実施形態のウエハアライメント系ＡＬＳは画像処理方式であるため、ウエハマーク４４Ｘの像を撮像することによって、検出信号として図１２（Ｂ）に示す撮像信号ＤＳＸが得られる。図１２（Ｂ）の横軸は、ウエハアライメント系ＡＬＳの撮像素子の計測方向（ここではＸ方向）に対応する方向に配列された複数の画素の位置を示している。
ウエハアライメント系ＡＬＳの演算部では、撮像信号ＤＳＸの特徴量として、一例として以下の量（ａ１）〜（ａ１１）を検出する。以下の説明において、ウエハマーク４４Ｘ（又は４４Ｘ１）のうちのラインパターン領域４４Ｘａ及びスペースパターン領域４４Ｘｂによって形成される周期ｐ１（又は周期ｐ１Ａ）の部分をマーク単位と呼ぶものとする。なお、Ｙ軸のウエハマーク４４ＹＡ，４４ＹＢに関しても同様に特徴量が検出される。
（ａ１）ウエハマーク４４Ｘ等の複数（ここでは４個）のマーク単位（ラインパターン領域４４Ｘａを含む領域）の像の撮像信号が最大値（矢印Ａ１〜Ａ４で示す位置の値）となる位置のＸ方向の間隔ｐｍ１，ｐｍ２，ｐｍ３。
（ａ２）その間隔ｐｍ１〜ｐｍ３のうちの最大値＜ｐｍｍａｘ＞及び最小値＜ｐｍｍｉｎ＞。
（ａ３）その間隔ｐｍ１〜ｐｍ３の平均値＜ｐｍ＞の設計値＜ｐｍｘ＞からの偏差δｐｍ１。
（ａ４）その間隔ｐｍ１〜ｐｍ３の最大値＜ｐｍｍａｘ＞と最小値＜ｐｍｍｉｎ＞との差分δｐｍ２及びウエハマーク４４Ｘ等の領域内での撮像信号のコントラスト（振幅／平均値）。
（ａ５）ウエハマーク４４Ｘ等の像が形成されている領域内での撮像信号の最大値及び最小値。
（ａ６）ウエハマーク４４Ｘ等の複数のマーク単位の像内の撮像信号の最大値（矢印Ａ１〜Ａ４で示す位置の値）ｉｍａｘ１等の平均値＜ｉｍａｘ＞。
（ａ７）ウエハマーク４４Ｘ等の複数のマーク単位の像内の撮像信号の最小値ｉｍｉｎ１等の平均値＜ｉｍｉｎ＞。
（ａ８）その平均値＜ｉｍａｘ＞と平均値＜ｉｍｉｎ＞との差分。
（ａ９）複数のマーク単位の像内の撮像信号の傾斜量（Ｘ方向の位置の変化に対する撮像信号の変化量）の最大値の平均値。
この値を求めるためには、図１１（Ｃ）に示すように、撮像信号ＤＳＸの微分信号ｄＤＳＸ／ｄｘを求め、各マーク単位（ラインパターン領域４４Ｘａ及びスペースパターン領域４４Ｘｂ）の像に関して、その微分信号の正の値の最大値の絶対値ＳＬＬ１、及び負の値の最大値の絶対値ＳＬＲ１を求め、これらの内の大きい方の値（マーク単位内での最大値）の平均値を計算すればよい。
（ａ１０）複数のマーク単位の像内の撮像信号の傾斜量の最大値と最小値との差。
（ａ１１）複数のマーク単位の像内の撮像信号の正の傾斜量の絶対値ＳＬＬ１等と、負の傾斜量の絶対値ＳＬＲ１等との差の平均値。
そして、その演算部では、計測された複数対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２に関して求められた上記の（ａ１）〜（ａ１１）の特徴量毎に、この特徴量と所定の目標値（例えばブロック共重合体を含むポリマを塗布しない状態で形成されたウエハマークに関して求められた特徴量の平均値）との差分を求め、これらの差分が特徴量毎に定められている基準値を超えた場合に、当該ウエハマークの検出信号を不良であると判定する。なお、それらの差分のうちのある割合（例えば５０％以上の割合）の差分が対応する基準値を超えた場合に、当該ウエハマークの検出信号を不良であると判定してもよい。また、（ａ１）〜（ａ１１）の特徴量のうち、少なくとも一部の特徴量を検出するだけでもよい。
次のステップ１２８において、その演算部は、検出信号が良好であると判定されたウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の個数が所定数（ここでは必要なアライメント精度が得られる個数）以上であるかどうかを判定する。なお、１対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のうちの少なくとも一方のマークの検出信号が良好である場合、その対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の検出信号は良好であるとする。そして、検出信号が良好であると判定されたウエハマークの個数が所定数より少ない場合には、ステップ１３２に移行して、例えばウエハアライメント系ＡＬＳの検出光の波長、偏光状態、及び結像光学系の開口数等の検出条件を変更して、ステップ１２４に戻り、アライメントショットのウエハマークの検出以降の動作を繰り返す。なお、検出条件の変更の代わりに、又は検出条件の変更とともに、アライメントショット（計測するウエハマークの位置）を変更してもよい。
また、ステップ１２８で、検出信号が良好であると判定されたウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の個数が所定数以上である場合には、ステップ１３０に移行して、検出信号が良好であると判定された複数対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のうちから、アライメントに使用するマークを選別し、選別されたマークに関して計測されている位置を用いて、例えばエンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）方式でウエハＷの各ショット領域の配列座標を求めて、ウエハＷのアライメントを行う。なお、ある対のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２が両方とも良好である場合には、例えばそのうちの周期が小さい方のウエハマークＷＭ１の検出結果を使用してもよい。又は、それらのマークのうち、検出信号の特徴量の基準値からの偏差の二乗和がより小さい方のウエハマークＷＭ１又はＷＭ２の検出結果を使用してもよい。
その後、ウエハＷの各ショット領域ＳＡにレチクルＲ２のパターンの像を露光し（ステップ１３４）、次工程（ステップ１３６）でレジストの現像及びエッチング等のパターン形成を行うことで第２のデバイス層のパターンが形成される。
このように本実施形態のパターン形成方法によれば、ブロック共重合体を含むポリマ層の指向性自己組織化を用いて、ウエハＷの各ショット領域ＳＡに液浸リソグラフィの解像限界よりも微細な構造を持つＬ＆Ｓパターン４０Ｘ，４０Ｙを形成するとともに、スクライブライン領域ＳＬには、ウエハアライメント系ＡＬＳで検出できる構造を持つウエハマークＷＭ１，ＷＭ２を形成できる。このため、次の工程でウエハＷのアライメントを高精度に行うことができる。また、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のうちの一方の検出信号が良好でない場合には、検出信号が良好な他方のウエハマークを使用することによって、より高精度にアライメントを行うことができる。
上述のように、本実施形態のパターン形成システムによるマーク形成方法は、ウエハＷのスクライブライン領域ＳＬ（マーク形成領域）にマークパターン４６Ｘ，４６Ｘ１の像を露光するステップ１０６と、そのマークの像に基づいて互いに形状が異なるレジストマークＲＰＸ，ＲＰＸ１（第１マーク及び第２マーク）をスクライブライン領域ＳＬ上に形成するステップ１０８と、ウエハＷのスクライブライン領域ＳＬ及びショットＳＡにブロック共重合体を含むポリマ層５６をスピンコートによって塗布するステップ１１０と、を有する。さらに、そのマーク形成方法は、塗布されたポリマ層５６の少なくとも一部にアニールによって自己組織化領域（親液性のドメイン５６Ａ及び撥液性のドメイン５６Ｂ）を形成させるステップ１１２と、プラズマエッチングによって自己組織化領域の一部（ドメイン５６Ａ）を選択的に除去するステップ１１４と、レジストマークＲＰＸ，ＲＰＸ１を用いてウエハＷのスクライブライン領域ＳＬにそれぞれ第１及び第２のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のウエハマーク４４Ｘ，４４Ｘ１を形成するステップ１１６，１１８と、を有する。
このマーク形成方法によれば、ブロック共重合体を含むポリマ層５６の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に、その回路パターンとともに、液浸リソグラフィの解像限界よりも微細な周期の構造、及びウエハアライメント系ＡＬＳで検出できる限界又はこれよりも粗い周期の構造を持つウエハマーク４４Ｘ，４４Ｘ１、ひいてはウエハマークＷＭ１，ＷＭ２を形成できる。
また、本実施形態のマーク検出方法は、本実施形態のマーク形成方法によってウエハＷのスクライブライン領域ＳＬに形成された位置決め用（又は位置合わせ用）の第１及び第２のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の検出方法であって、第１及び第２のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の検出信号（撮像信号）を生成するステップ１２４と、その生成された検出信号を評価するステップ１２６と、その評価の結果に基づいて、第１及び第２のウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のうちでウエハＷの位置決めのために使用するマークを選択するステップ１３０と、を含んでいる。
このマーク検出方法によれば、仮にウエハマークＷＭ１，ＷＭ２のうちの一方のマークの検出信号が、ブロック共重合体を含むポリマ層５６の自己組織化の程度等に応じて目標とする状態と異なっていても、他方のマークの検出信号を用いて、高精度にウエハＷの位置決め（アライメント）を行うことができる。
なお、上記の実施形態においては以下のような変形が可能である。
上記の実施形態では、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２用のレジストマークＲＰＸ，ＲＰＸ１のライン領域ＲＰＸａ，ＲＰＸａ１には複数のガイドパターン５４Ｂ，５４Ｂ１が形成され、これらのガイドパターン５４Ｂ，５４Ｂ１の間の凹部７０Ａ等において、ポリマ層５６の指向性自己組織化が行われていた。しかしながら、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の少なくとも一方のマーク用のライン領域（凹部）の幅を広くして、そのライン領域ではポリマ層５６の指向性自己組織化が実質的に行われないようにしてもよい。
この変形例では、図１３（Ａ）に示すように、ウエハＷのレジスト層５４にウエハマーク用の像４５ＸＰ及びデバイスパターン用の像４５ＤＸＰが露光された後、現像によって、図１３（Ｂ）に示すように、点線で示すレジストパターン５４Ａが形成される。そして、スリミングによって、デバイスパターンの領域では、複数のガイドパターン５４Ｃが形成され、ウエハマークの領域では、ラインパターン領域に対応して、レジストパターン５４Ｃ１，５４Ｃ２（凸部）に挟まれた幅ｐ１／２（又はｐ１Ａ／２）の凹部４５Ｘ１ａが形成される。ｐ１（又はｐ１Ａ）はそのウエハマークの周期である。
その後、ブロック共重合体を含むポリマ層を塗布することで、図１３（Ｃ）に示すように、ガイドパターン５４Ｃ間にはポリマ層５６が塗布されるが、幅の広い凹部４５Ｘ１ａには例えば中央部で薄くなるようにポリマ層５６ａが塗布される。そして、ポリマ層５６に指向性自己組織化を起こさせると、ガイドパターン５４Ｃ間では指向性自己組織化が行われて、上記の実施形態と同様に微細なパターンを形成できる。これに対して、ウエハマーク用の幅の広い凹部４５Ｘ１ａ内ではポリマ層５６ａに指向性自己組織化が実質的に生じないために、その後の工程において、凹部４５Ｘ１ａに対応するハードマスク層５２には開口が形成される。
そして、パターン形成工程が終わると、図１３（Ｄ）に示すように、デバイス用パターンとしては、複数の微細なラインパターン４０Ｘａを凹部４１Ｘａに埋め込んだ形のＬ＆Ｓパターン４０Ｘが形成され、ウエハマーク４４ＸＡ（又は４４Ｘ１Ａ）としては、凹部４５Ｘ１ａに対応する凹部４５Ｘ３ａに金属ＭＥを埋め込んだラインパターン領域４４Ｘａと、下地よりなるスペースパターン領域４４ＸｂとをＸ方向に周期ｐ１（又はｐ１Ａ）で配列したパターンが形成される。このウエハマーク４４ＸＡ（又は４４Ｘ１Ａ）も露光装置１００のウエハアライメント系ＡＬＳで検出できるマークである。
この変形例において、図１３（Ｃ）のウエハマーク用の凹部４５Ｘ１ａ内のポリマ層５６ａの周辺部に仮にわずかに第１及び第２のドメインが形成され、第２のドメインに対応する凸部がハードマスク層５２に形成された場合には、最終的に形成されるウエハマーク４４ＸＡ等のラインパターン領域４４Ｘａの内部に微細なライン状のパターン（ブロック共重合体に起因する不要な微細構造を持つパターン）が含まれる。この結果、図１２（Ｂ）の撮像信号ＤＳＸの波形が複数のラインパターン領域４４Ｘａ毎に変化する。そして、不要な微細構造を持つパターンの面積比が多くなると、例えばその撮像信号ＤＳＸの間隔ｐｍ１〜ｐｍ３の最大値と最小値との差分が大きくなると予想される。このため、その差分の所定の目標値（例えばブロック共重合体を含むポリマを塗布しない状態で形成されたウエハマークに関して計測された差分の平均値）からの増加分によって、その不要な微細構造を持つパターンの量を推定可能である。
また、その差分のその所定の目標値に対する増加分が、ある値を超えたときに、スクライブライン領域ＳＬ（マーク形成領域）のウエハマーク用の凹部４５Ｘ１ａ内に、ポリマ層５６ａの自己組織化領域のうち少なくとも一部（第１のドメイン）が除去された部分（第２のドメイン）に基づいて形成されたマーク部が残存していると判定することが可能である。このようなマーク部が残存していると判定されたウエハマーク４４ＸＡ等は、計測対象から除外してもよい。
なお、上記の実施形態において、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の構成は、図２（Ｂ）に限定されず、例えばＸ軸のウエハマークとＹ軸のウエハマークとをスクライブライン領域ＳＬの異なる位置に形成してもよい。
また、上記の実施形態においては、ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２よりなる２種類のマークを用いたが、ウエハマークとして、ウエハの各ショットに付設するように、３種類又はそれ以上の種類のマークを形成してもよい。
また、上記の実施形態において、ウエハマークの検出方法は画像処理方式であるが、ウエハマークの検出方法は任意である。例えばウエハマークに照射されるレーザ光によってウエハマークから発生する回折光を検出して、そのウエハマークの位置を検出するＬＳＡ(Laser Step A1ignment)系等も使用可能である。
また、上記の実施形態では、デバイスパターンは、ラインパターンであるが、デバイス用パターンが、Ｘ方向及びＹ方向に周期的に配列された多数の微小なホール（ビア又はスルーホール）よりなるホールアレイを含む場合にも、上記の実施形態のパターン形成方法が適用できる。
次に、上記の実施形態のパターン形成方法を用いてＳＲＡＭ等の半導体デバイス（電子デバイス）を製造する場合、半導体デバイスは、図１４に示すように、半導体デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２２２、半導体デバイス用の基板（又はウエハの基材）を製造するステップ２２３、基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、及び検査ステップ２２６等を経て製造される。また、その基板処理ステップ２２４は、上記の実施形態のパターン形成方法を含み、そのパターン形成方法は、露光装置でレチクルのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、並びに現像した基板の加熱（キュア）及びエッチングを行う工程などを含んでいる。
言い換えると、このデバイス製造方法は、基板処理ステップ２２４を含み、この基板処理ステップ２２４は、上記の各実施形態のうちのいずれかのパターン形成方法を用いて基板上にデバイス用パターン及びウエハマークを形成する工程を含んでいる。
このデバイスの製造方法によれば、露光装置の解像限界よりも微細な回路パターンを含む半導体デバイスを、露光装置を用いて高精度に製造できる。
なお、上記の実施形態で製造対象のデバイスは、ＳＲＡＭ以外のＤＲＡＭ、ＣＰＵ、ＤＳＰ等の任意の半導体デバイスが可能である。さらに、半導体デバイス以外の撮像素子、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造する際にも上記の実施形態のパターン形成方法が適用可能である。
また、上記の実施形態において、露光装置としては、液浸型でないドライ型の露光装置を使用してもよい。また、紫外光を露光光とする露光装置以外に、露光光として波長が数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度のＥＵＶ光（Extreme Ultraviolet Light）を用いるＥＵＶ露光装置、又は電子ビームを露光光とする電子ビーム露光装置等を用いてもよい。
また、上記の実施形態では、ブロック共重合体として、（ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡ）よりなるジブロック共重合体が使用されている。その他にブロック共重合体として使用可能なものとしては、例えば、ポリ（スチレン−ｂ−ビニルピリジン）、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン）、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン−ｂ−アルケニル芳香族）、ポリ（イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−（エチレン−プロピレン））、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−カプロラクトン）、ポリ（ブタジエン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ｔ−ブチル（メタ）アクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−プロピレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−テトラヒドロフラン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ジメチルシロキサン）、若しくはポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ジメチルシロキサン）、又はこれらのブロック共重合体の少なくとも１つを含む組合せなどのジブロック又はトリブロックの共重合体等がある。さらに、ブロック共重合体として、ランダム共重合体も使用可能である。
ブロック共重合体は、さらなる処理を行うことができる全体的な分子量及び多分散性を有することが望ましい。
また、ブロック共重合体を含むポリマ層の塗布は、このポリマ層を溶媒に溶かした液体を塗布した後で例えば溶媒を揮発させる溶媒キャスティング法で行うことも可能である。この場合に使用できる溶媒は、ブロック共重合体の成分、及び仮に使用する場合には種々の添加物の溶解度条件により変化する。これらの成分及び添加物に対する例示的なキャスティング溶媒には、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）、エトキシエチルプロピオナート、アニソール、乳酸エチル、２−ヘプタノン、シクロヘキサノン、酢酸アミル、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、トルエンなどが含まれる。
また、ブロック共重合体を含むポリマ層に添加可能な添加物は、付加的なポリマ（ホモポリマ、星型ポリマ及び共重合体、超分岐ポリマ、ブロック共重合体、グラフト共重合体、超分岐共重合体、ランダム共重合体、架橋ポリマ、並びに無機含有ポリマを含む）、小分子、ナノ粒子、金属化合物、無機含有分子、界面活性剤、光酸発生剤、熱酸発生剤、塩基消光剤、硬化剤、架橋剤、鎖延長剤、及び前述物の少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択することができる。ここで、1つ又は複数の添加物は、ブロック共重合体と共に会合(associate)して、1つ又は複数の自己組織化ドメインの部分を形成する。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
Ｒ１，Ｒ２…レチクル、Ｗ…ウエハ（基板）、ＡＬＳ…ウエハアライメント系、ＳＬ…スクライブライン領域、ＳＡ…ショット領域、ＷＭ１，ＷＭ２…ウエハマーク、ＲＰＸ，ＲＰＸ１…レジストマーク、ＤＬ１…デバイス層、４４Ｘ，４４Ｘ１…ウエハマーク、４４Ｘａ，４４Ｘａ１…ラインパターン領域、４６Ｘ…マークパターン、５０…基材、５２…ハードマスク層、５４…レジスト層、５４Ｂ…ガイドパターン、５６…ブロック共重合体（ＢＣＰ）を含むポリマ層、５６Ａ…親液性のドメイン、５６Ｂ…撥液性のドメイン、５８Ｘ…金属のラインパターン、１００…露光装置

Claims (16)

  1. 第１間隔を有する一対の第１パターンと、前記第１間隔と異なる第２間隔を有する一対の第２パターンとを、基板上に形成することと、
    前記第１パターン及び前記第２パターンが形成された後、前記基板上にブロック共重合体を塗布することと、
    前記塗布された前記ブロック共重合体に自己組織化処理を行うことと、
    前記自己組織化処理の後、前記一対の第１パターンの間と前記一対の第２パターンの間の少なくとも１つにマークを形成することと、
    を含むマーク形成方法。
  2. 前記一対の第１パターンの間の前記ブロック共重合体、および前記一対の第２パターンの間の前記ブロック共重合体の少なくとも１つを用いて前記基板上に前記マークが形成される請求項１に記載のマーク形成方法。
  3. 第１間隔を有する一対の第１パターンと、前記第１間隔と異なる第２間隔を有する一対の第２パターンとを、基板上に形成することと、
    前記第１パターン及び前記第２パターンが形成された後、前記基板上にブロック共重合体を塗布することと、
    前記塗布された前記ブロック共重合体に自己組織化処理を行うことと、
    前記自己組織化処理の後、前記一対の第１パターンの間および前記一対の第２パターンの間にそれぞれマークを形成することと、
    を含むマーク形成方法。
  4. 前記一対の第１パターンの間および前記一対の第２パターンの間の前記ブロック共重合体の一部を除去することをさらに有し、
    除去されずに残留した前記ブロック共重合体を用いて前記マークが前記基板上に形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載のマーク形成方法。
  5. 前期マークは前記基板のスクライブラインに形成される請求項１〜４のいずれか一項に記載のマーク形成方法。
  6. 基板のマーク形成領域を含む領域にマスク像を露光し、前記マスク像の第１部分に基づいて、前記マーク形成領域に互いに形状が異なる第１マーク及び第２マークを形成することと、
    前記マーク形成領域を含む領域にブロック共重合体を含むポリマ層を塗布することと、
    塗布された前記ポリマ層の少なくとも一部に自己組織化領域を形成させることと、
    形成される前記自己組織化領域の一部を選択的に除去することと、
    前記第１マーク及び第２マークを用いて前記基板の前記マーク形成領域にそれぞれ第１の位置決め用のマーク及び第２の位置決め用のマークを形成することと、
    を含むマーク形成方法。
  7. 前記第１マークは、第１の凹部中に第１方向に周期的に形成された複数の第１のラインパターンを含み、
    前記第２マークは、第２の凹部中に前記第１方向に周期的に形成された複数の第２のラインパターンを含み、
    前記第１のラインパターン及び前記第２のラインパターンの配列周期及び高さの少なくとも一方が異なるとともに、
    前記第１マークの複数の前記第１のラインパターンの間の領域、及び前記第２マークの複数の前記第２のラインパターンの間の領域に、それぞれ前記ポリマ層の自己組織化領域が形成され、形成された該自己組織化領域の一部が選択的に除去される請求項６に記載のマーク形成方法。
  8. 前記第１マーク及び前記第２マークは、それぞれ前記ブロック共重合体を含む前記ポリマ層に自己組織化領域が実質的に形成されない形状を有する請求項６に記載のマーク形成方法。
  9. 前記第１マークは、前記ブロック共重合体を含む前記ポリマ層に自己組織化領域が実質的に形成されない幅を持つ第１の凹部を有し、
    前記第２マークは、前記第１の凹部の幅よりも広い幅を持つ第２の凹部を有する請求項８に記載のマーク形成方法。
  10. 前記基板の中心から半径方向に互いに異なる距離にある複数のマーク形成領域にそれぞれ前記第１及び第２の位置決め用のマークが形成される請求項６〜９のいずれか一項に記載のマーク形成方法。
  11. 前記基板の前記マーク形成領域を含む領域に前記マスク像を露光することは、前記基板の前記マーク形成領域に隣接するデバイスパターン形成領域に前記マスク像を露光することを含み、
    前記基板の前記マーク形成領域に前記第１マーク及び前記第２マークを形成することと並行して、前記マスク像の前記第１部分と異なる第２部分に基づいて、前記デバイスパターン形成領域に、前記ブロック共重合体を含む前記ポリマ層に自己組織化領域が形成される第１パターンを形成し、
    前記第１マーク及び前記第２マークを用いて前記基板の前記マーク形成領域に前記第１及び第２の位置決め用のマークを形成することと並行して、一部が選択的に除去された前記自己組織化領域を用いて前記基板の前記デバイスパターン形成領域に第２パターンを形成する請求項６〜１０のいずれか一項に記載のマーク形成方法。
  12. 前記第１パターンは、前記ブロック共重合体を含む前記ポリマ層に自己組織化領域が形成可能な幅を持つ凹部を有する請求項１１に記載のマーク形成方法。
  13. 請求項６〜１２のいずれか一項に記載のマーク形成方法によって基板のマーク形成領域に形成された前記第１及び第２の位置決め用のマークの検出方法であって、
    前記第１及び第２の位置決め用のマークの検出信号を生成することと、
    前記生成された検出信号を評価することと、
    前記評価の結果に基づいて、前記第１及び第２の位置決め用のマークのうちで前記基板の位置決めのために使用するマークを選択することと、
    を含むマーク検出方法。
  14. 前記第１及び第２の位置決め用のマークの前記検出信号は、前記第１及び第２の位置決め用のマークの像のそれぞれの第１及び第２の撮像信号を含み、
    前記生成された検出信号を評価することは、
    前記第１及び第２の撮像信号のそれぞれの信号特徴量を抽出することと、
    抽出された前記第１及び第２の撮像信号のそれぞれの信号特徴量を基準値と比較することと、
    を含む請求項１３に記載のマーク検出方法。
  15. 前記抽出される信号特徴量は、画素単位の撮像信号のコントラスト、前記撮像信号のうち周期的な部分間の距離、前記撮像信号の計測領域内での最大値及び最小値、並びに前記撮像信号の傾斜量の大きさのうち少なくとも一つを含む請求項１４に記載のマーク検出方法。
  16. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載のマーク形成方法を用いて基板に位置合わせ用のマークを形成することと、
    前記位置合わせ用のマークを用いて位置合わせを行って、前記基板を露光することと、
    を含むデバイス製造方法。
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