JP6608130B2 - 計測装置、リソグラフィ装置、及び物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置、リソグラフィ装置、及び物品の製造方法に関する。

フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスを製造する際に、レチクルのパターンを投影光学系によって、ウエハなどの基板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。

露光装置においては、電子機器の小型化や需要の拡大に伴い、メモリやＭＰＵに代表される半導体素子の微細化と生産性を両立させる必要がある。従って、露光装置には、解像度、オーバーレイ精度、スループットなどの基本性能を向上させることが要求されている。露光装置の解像度は、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例し、露光に用いる光（露光光）の波長に比例するため、投影光学系の開口数の拡大及び露光光の短波長化が進んでいる。また、半導体素子の微細化に伴い、オーバーレイ精度の向上も必要となるため、レチクルと基板との相対的な位置を合わせるアライメントについても高精度化が必要となる。

基板のアライメントに関する技術として、基板上に設けられたアライメントマークを用いて、プリアライメント及びファインアライメントの２種類のアライメントを行うことが知られている。プリアライメントは、基板搬送系から基板ステージに送り込まれた基板の位置ずれ量を検出し、ファインアライメントが開始できるように、基板を粗く位置合わせ（位置決め）することである。また、ファインアライメントは、基板ステージに保持された基板の位置を高精度に計測し、基板の位置合わせ誤差が許容範囲内になるように、基板を精密に位置合わせ（位置決め）することである。

プリアライメントでは、上述したように、基板搬送系から基板ステージに送り込まれた基板の位置ずれ量を検出しなければならない。従って、アライメントマークを検出するアライメント光学系は、マークサイズに対して広範な検出範囲（視野）を有している。このような広範な検出範囲からアライメントマークの位置（ＸＹ座標）を求めるには、パターンマッチング（テンプレートマッチング）処理が多く用いられている。

パターンマッチング処理は、一般的に、以下の２種類に大別される。１つは、画像（濃淡画像）を２値化して予め用意したテンプレートとのマッチングを行い、最も相関がある位置をアライメントマークの位置とする方法である。もう１つは、濃淡画像のまま、濃淡情報を含むテンプレートとの相関演算を行うことでアライメントマークの位置を求める方法である。このようなパターンマッチング処理では、低コントラスト画像、ノイズ画像、或いは、基板を加工する際に発生した欠陥を含む画像に対して、アライメントマークの検出が困難となる。そこで、アライメントマークの検出が困難な画像に対して安定した検出を可能とする技術が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術は、マークのエッジと、かかるエッジの方向とを同時に抽出し、エッジの方向ごとにエッジに着目したパターンマッチングを行うことを特徴としている。

また、アライメント方式としては、移動計測方式と、画像処理方式とがある。移動計測方式では、基板に設けられたアライメントマークに光（レーザ）を照射し、基板ステージを移動させながら、アライメントマークで反射された光の強度の変化と基板ステージの位置とを並行して計測することでアライメントマークの位置を求めている。画像処理方式では、基板ステージを静止させた状態で基板に設けられたアライメントマークに白色光を照射し、アライメントマークで反射された光を蓄積型光電変換素子で検出して画像処理を行うことでアライメントマークの位置を求めている。

このようなアライメント方式に使用されるアライメント光学系としては、ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）光学系と、ＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）光学系と、オフアクシス光学系とがある。ＴＴＬ光学系は、投影光学系を介して、基板に設けられたアライメントマークを検出する。ＴＴＲ光学系は、レチクルに設けられたアライメントマークと、基板に設けられたアライメントマークとを、投影光学系を介して同時に検出する。オフアクシス光学系は、投影光学系を介さずに投影光学系の光軸から所定の距離だけ離れた位置に光軸を有する専用光学系であって、専用光源から白色光を照射して基板に設けられたアライメントマークを検出する。

特開２０００−２６０６９９号公報

例えば、上述したようなプリアライメントでは、蓄積型光電変換素子の全画素（マークサイズに対して広範な検出範囲）の画像情報に対してパターンマッチング処理を行うことで、アライメントマークの位置を得る。従って、パターンマッチング処理は、アライメントマークが存在しない領域を含む広域な検出範囲に対応する画素情報に対して行われることになる。よって、当該検出範囲に応じた時間をアライメントマークの位置を得るのに要していた。

本発明は、計測時間の点で有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、基板に形成されたマークの位置を計測する計測装置であって、マークを検出するための検出信号を生成する検出部と、計測された前記マークの位置のばらつきを表す統計値と、前記マークの寸法とに基づいて、前記検出信号の取得領域から画像処理を行う処理領域を決定し、該決定された処理領域において、前記検出部で生成された検出信号の画像処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記マークの寸法に対応する範囲に、前記マークの位置のばらつきに対応する範囲を加えた範囲を、前記処理領域として決定し、前記マークの位置のばらつきに対応する範囲は、前記マークの寸法に対応する範囲よりも狭いことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、計測時間の点で有利な計測装置を提供することができる。

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。 基板アライメント光学系の構成を示す概略図である。 基板ステージに送り込まれた基板の位置ずれ量のヒストグラムである。 アライメントマークと、パターンマッチング処理を行う画像処理範囲との関係を示す図である。 アライメントマークと、パターンマッチング処理を行う画像処理範囲との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略図である。露光装置１は、物品としての半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスの製造に用いられ、パターン形成を基板に行うリソグラフィ装置である。露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式、或いは、ステップ・アンド・リピート方式で基板を露光する。

露光装置１は、主制御部１００と、光源制御部１１０と、アライメント光源１２０と、画像処理部１３０と、ステージ制御部１４０と、干渉計１５０とを有する。また、露光装置１は、レチクルアライメント光学系１６０と、レチクルステージ１７１と、投影光学系１８０と、基板アライメント光学系１９０と、基板ステージ２００とを有する。

レチクルステージ１７１は、照明光学系（不図示）によって照明されるレチクル１７０を保持して移動する。レチクル１７０には、基板２１０に転写すべきパターンが描画されている。投影光学系１８０は、レチクル１７０のパターンを基板２１０に投影する。基板ステージ２００は、基板を保持して可動の保持部であって、本実施形態では、基板２１０を保持して移動する。

レチクルアライメント光学系１６０は、レチクル１７０のアライメントに用いられる。レチクルアライメント光学系１６０は、例えば、蓄積型光電変換素子で構成される撮像素子１６１と、レチクル１７０に設けられたアライメントマークからの光を撮像素子１６１に導く光学系１６２とを含む。基板アライメント光学系１９０は、基板２１０のアライメントに用いられる。基板アライメント光学系１９０は、本実施形態では、オフアクシス光学系であって、基板２１０に設けられたアライメントマーク２１１を検出する。

主制御部１００は、ＣＰＵやメモリなどを含み、露光装置１の全体の動作を制御する。主制御部１００は、露光装置１の各部を制御して、基板２１０を露光する露光処理及びそれに関連する処理を行う。本実施形態では、主制御部１００は、レチクル１７０に形成されたアライメントマークの位置や基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１の位置に基づいて、基板ステージ２００の位置を制御する。換言すれば、主制御部１００は、レチクル１７０と基板２１０との位置合わせ、例えば、グローバルアライメントを行う。

アライメント光源１２０は、ハロゲンランプなどを含み、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を照明する。光源制御部１１０は、アライメント光源１２０からの光、即ち、アライメントマーク２１１を照明するための光の照明強度を制御する。

画像処理部１３０は、レチクルアライメント光学系１６０における撮像素子１６１や基板アライメント光学系１９０における撮像素子からの画像信号（検出信号）を画像処理してアライメントマークの位置を得る。本実施形態において、画像処理部１３０及び基板アライメント光学系１９０は、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１の位置を計測する計測装置として機能する。

干渉計１５０は、基板ステージ２００に設けられたミラーに光を照射し、ミラーで反射された光を検出することで、基板ステージ２００の位置を計測する。ステージ制御部１４０は、干渉計１５０によって計測された基板ステージ２００の位置に基づいて、基板ステージ２００を任意の位置に移動させる（駆動制御する）。

露光装置１において、照明光学系からの光（露光光）は、レチクルステージ１７１に保持されたレチクル１７０を通過して投影光学系１８０に入射する。レチクル１７０と基板２１０とは、光学的に共役な位置関係になっているため、レチクル１７０のパターンは、投影光学系１８０を介して、基板ステージ２００に保持された基板２１０に転写される。

図２は、基板アライメント光学系１９０の構成を示す概略図である。基板アライメント光学系１９０は、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を検出して検出信号、本実施形態では、画像信号を生成する検出部として機能する。基板アライメント光学系１９０は、撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂと、結像光学系１９２Ａ及び１９２Ｂと、ハーフミラー１９３と、照明光学系１９４と、偏光ビームスプリッタ１９５と、リレーレンズ１９６と、λ／４板１９７と、対物レンズ１９８とを含む。

アライメント光源１２０からの光は、光ファイバ（不図示）などを介して、基板アライメント光学系１９０に導かれる。基板アライメント光学系１９０に導かれた光は、照明光学系１９４を介して、偏光ビームスプリッタ１９５に入射する。偏光ビームスプリッタ１９５で反射された光は、リレーレンズ１９６、λ／４板１９７及び対物レンズ１９８を通過して、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を照明する。

アライメントマーク２１１で反射された光は、対物レンズ１９８、λ／４板１９７、リレーレンズ１９６及び偏光ビームスプリッタ１９５を通過して、ハーフミラー１９３に入射する。ハーフミラー１９３において適当な比率に分割された光のそれぞれは、結像倍率が互いに異なる結像光学系１９２Ａ又は１９２Ｂに導かれる。

結像光学系１９２Ａ及び１９２Ｂのそれぞれは、アライメントマーク２１１の像を撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂの撮像面に形成する。撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂは、アライメントマーク２１１を含む領域を撮像する撮像面を含み、かかる撮像面で撮像された領域に対応する画像信号を生成する。撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂで生成された画像信号は、画像処理部１３０によって読み出される。画像処理部１３０は、画像信号に対して、本実施形態では、画像処理としてのパターンマッチング処理を行うことで、撮像素子１９１Ａ及び１９１Ｂの撮像面におけるアライメントマーク２１１の位置を得る。但し、画像処理は、パターンマッチング処理に限定されるものではなく、アライメントマーク２１１の位置を得ることが可能な処理であればよい。従って、画像処理は、例えば、エッジ検出処理であってもよい。

露光装置１においては、アライメントマーク２１１を用いて、プリアライメント及びファインアライメントの２種類のアライメントが行われる。プリアライメントは、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量を検出し、ファインアライメントが開始できるように、基板２１０を粗く位置合わせ（位置決め）することである。また、ファインアライメントは、基板ステージ２００に保持された基板２１０の位置を高精度に計測し、基板２１０の位置合わせ誤差が許容範囲内になるように、基板２１０を精密に位置合わせ（位置決め）することである。

露光装置１におけるプリアライメントについて詳細に説明する。本実施形態では、プリアライメントにおいては、基板アライメント光学系１９０を用いて、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１を検出する。プリアライメントに用いられる基板アライメント光学系１９０の撮像素子１９１Ｂは、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量を考慮して、広範な検出視野を有している。例えば、アライメントマーク２１１のサイズ（に対応する領域）が５０μｍ〜１００μｍである場合、撮像素子１９１Ｂは、２００μｍ〜４００μｍ程度の検出視野を有する。

ここで、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量の標準偏差の３倍が２５μｍ程度に安定しているものとする。そして、撮像素子１９１Ｂの撮像面の全画素の画像情報（即ち、画像信号の全ての範囲）に対してパターンマッチング処理を行うことで、アライメントマーク２１１の位置を得る場合を想定する。この場合、撮像素子１９１Ｂの撮像面の画素情報のうちの殆どの画素情報は、アライメントマーク２１１が存在しない画素情報となる。従って、パターンマッチング処理は、アライメントマーク２１１が存在しない領域を含む広範な検出範囲に対応する画像情報に対して行われることになる。このため、アライメントマーク２１１の位置を得るのに無駄な時間を費やすことになり、露光装置１の基板処理能力、即ち、スループットを低下させる要因となる。

そこで、本実施形態では、基板アライメント光学系１９０で検出されるアライメントマーク２１１に対応する検出信号において、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲（検出範囲）を限定（決定）する。かかる範囲を限定する際には、基板アライメント光学系１９０で過去に検出された複数のアライメントマーク２１１のそれぞれに対応する画像信号から求められたアライメントマーク２１１の位置のばらつきを表す統計値が用いられる。換言すれば、かかる統計値に基づいて、これまでに検出されたアライメントマーク２１１に続いて検出されるアライメントマーク２１１の位置を求める際の、検出信号におけるアライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲を限定する。これにより、アライメントマーク２１１の位置を得るのに要する時間を削減することが可能となる。また、アライメントマーク２１１の位置のばらつきを表す統計値は、基板アライメント光学系１９０で過去に検出された複数のアライメントマーク２１１のそれぞれの位置の標準偏差に基づく値（例えば、平均値や標準偏差そのもの）を含む
アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲、本実施形態では、画像処理としてのパターンマッチング処理を行う画像処理範囲を限定することについて具体的に説明する。図３は、基板搬送系から基板ステージ２００に送り込まれた基板２１０の位置ずれ量のヒストグラム、即ち、基板アライメント光学系１９０で過去に検出された複数のアライメントマーク２１１の位置（検出結果）と、その頻度との関係とを示す図である。図３を参照するに、基板アライメント光学系１９０で過去に検出された複数のアライメントマーク２１１の位置の標準偏差の３倍（３σ）は、２５μｍ程度であることがわかる。このような場合、図４に示すように、画像信号におけるパターンマッチング処理を行うべき画像処理範囲を、１００μｍ×１００μｍ程度に狭めることができる。換言すれば、これから検出するアライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき画像処理範囲を、過去に検出されたアライメントマーク２１１の位置を求めるのにパターンマッチング処理を行った画像処理範囲よりも狭くすることができる。この際、過去に検出されたアライメントマーク２１１の位置の平均値とアライメントマーク２１１のサイズ（寸法）とに更に基づいて、画像処理範囲を決定する。具体的には、アライメントマーク２１１のサイズに対応する範囲（５０μｍ×５０μｍ）に、アライメントマーク２１１のそれぞれの位置のばらつきに対応する範囲（２５μｍ）を加えた範囲（１００μｍ×１００μｍ）を、画像処理範囲として決定する。このように、パターンマッチング処理を行うべき画像処理範囲を限定することで、アライメントマーク２１１の位置を得るのに要する時間を削減することができる。

また、本実施形態では、画像処理としてのパターンマッチング処理を行う画像処理範囲を限定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画像処理範囲を限定するのではなく、基板アライメント光学系１９０の撮像素子１９１Ｂの撮像面における画像信号を読み出す読出範囲を限定してもよい（即ち、画像処理範囲に対応する画像処理を撮像素子に読み出せてもよい）。この場合も同様に、アライメントマーク２１１の位置を得るのに要する時間を削減することができる。

また、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲は、パターン形成の上限、即ち、基板２１０を露光する際の露光条件（レシピ）ごとに限定（決定）してもよい。ここで、露光条件は、例えば、基板２１０のサイズ、ショット領域の数、及び、アライメントマーク２１１を照明する際の照明条件のうちの少なくとも１つを含む。

また、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲を限定することで、アライメントマーク２１１の位置が得られなくなる（即ち、かかる範囲外にアライメントマーク２１１が存在する）場合もある。このような場合には、アライメントマーク２１１の位置が得られるように、アライメントマーク２１１の位置を求めるために処理すべき範囲を変更（拡大）すればよい。例えば、撮像素子１９１Ｂの撮像面の全画素の画素情報に対してパターンマッチング処理が行われるように、即ち、検出信号の全ての範囲が処理されるように、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲を変更すればよい。

また、実際には、アライメントマーク２１１の位置のばらつきを表す統計値が得られるだけの数のアライメントマーク２１１を基板アライメント光学系１９０で検出していない場合も考えられる。このような場合には、基板アライメント光学系１９０で過去に検出されたアライメントマーク２１１の位置に基づいて、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲を限定（決定）すればよい。例えば、基板アライメント光学系１９０で過去に検出されたアライメントマーク２１１の数（母数）が予め定められた数以上である場合には、上述したように、統計値に基づいて、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲を決定する。一方、基板アライメント光学系１９０で過去に検出されたアライメントマーク２１１の数が予め定められた数未満である場合には、アライメントマーク２１１の位置に基づいて、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき範囲を決定する。なお、予め定められた数は、例えば、アライメントマーク２１１の位置のばらつきを表す統計値が得られる最小の数に設定される。

例えば、プリアライメントを行う場合、通常、基板２１０に形成されたアライメントマーク２１１の位置を計測する前に、アライメントマーク２１１からの光が適切な光量で基板アライメント光学系１９０の撮像素子１９１Ｂに入射しているかどうかを確認している。そこで、撮像素子１９１Ｂに入射する光の光量を確認する際に、パターンマッチング処理も行うことで、アライメントマーク２１１の位置を粗く計測する。そして、プリアライメントでは、かかるアライメントマーク２１１の位置に基づいて、パターンマッチング処理を行う画像処理範囲を限定する。これにより、統計値が得られていない場合であっても、アライメントマーク２１１の位置を得るのに要する時間を削減することができる。

例えば、図５（ａ）に示すように、撮像素子１９１Ｂに入射する光の光量を確認する際には、撮像素子１９１Ｂの撮像面の全画素の画素情報に対してパターンマッチング処理を行う。換言すれば、画像信号の全ての範囲に対してパターンマッチング処理が行われるように、アライメントマーク２１１の位置を求めるのに処理すべき画像処理範囲を決定する。そして、プリアライメントでは、図５（ｂ）に示すように、撮像素子１９１Ｂに入射する光の光量を確認する際に得られたアライメントマーク２１１に基づいて、パターンマッチング処理を行うべき画像処理範囲を、１００μｍ×１００μｍ程度に狭める。ここでは、撮像素子１９１Ｂに入射する光の光量を確認する際に粗く計測されたアライメントマーク２１１の位置を中心とし、アライメントマーク２１１のサイズに対応する範囲を考慮して、画像処理範囲を決定している。

また、アライメントマーク２１１の位置を粗く計測する際のパターンマッチング処理と、プリアライメントでアライメントマーク２１１の位置を計測する際のパターンマッチング処理とでは、異なるテンプレートを用いてもよい。

このように、本実施形態の露光装置１では、アライメントマーク２１１の位置の計測に要する時間を短縮することができる。従って、露光装置１は、スループットの低下を十分に抑えることができ、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイスなど）を提供することができる。

本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、露光装置１を用いて、感光剤が塗布された基板を露光する工程（パターン形成を基板に行う工程）と、露光した基板を現像する工程（パターン形成を行われた基板を加工する工程）とを含む。また、上記形成工程につづけて、かかる製造方法は、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、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

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。例えば、本発明は、プリアライメントだけではなく、ファインアライメントやその他のアライメントにも適用することができる。

１：露光装置 １００：主制御部 １３０：画像処理部 １９０：基板アライメント光学系 １９１Ａ、１９１Ｂ：撮像素子

Claims (11)

1. 基板に形成されたマークの位置を計測する計測装置であって、
   マークを検出するための検出信号を生成する検出部と、
   計測された前記マークの位置のばらつきを表す統計値と、前記マークの寸法とに基づいて、前記検出信号の取得領域から画像処理を行う処理領域を決定し、該決定された処理領域において、前記検出部で生成された検出信号の画像処理を行う処理部と、
   を有し、
   前記処理部は、前記マークの寸法に対応する範囲に、前記マークの位置のばらつきに対応する範囲を加えた範囲を、前記処理領域として決定し、
   前記マークの位置のばらつきに対応する範囲は、前記マークの寸法に対応する範囲よりも狭いことを特徴とする計測装置。
2. 前記処理部は、計測された前記マークの位置の平均値に更に基づいて前記処理領域を決定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記検出部は、前記マークを撮像する撮像素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記処理部は、前記処理領域に対応する検出信号を前記撮像素子に読み出させることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
5. 前記処理部は、前記マークの位置を得るためにパターンマッチング処理又はエッジ検出処理を行うことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記処理部は、前記統計値を得るための母数が予め定められた数以上である場合に、前記統計値に基づいて、前記処理領域を決定することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記処理部は、前記処理領域を決定した後に前記検出信号の画像処理を行った結果として前記マークの位置が得られなかった場合、前記処理領域を拡大することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記統計値は、計測された前記マークの位置の標準偏差に基づく値を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
9. パターン形成を基板に行うリソグラフィ装置であって、
   前記基板を保持して可動の保持部と、
   前記基板に形成されたマークの位置を計測する請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の計測装置と、
   前記計測装置で計測された前記マークの位置に基づいて、前記保持部の位置を制御する制御部と、
   を有することを特徴とするリソグラフィ装置。
10. 前記処理部は、前記パターン形成の条件ごとに前記処理領域を決定することを特徴とする請求項９に記載のリソグラフィ装置。
11. 請求項９又は１０に記載のリソグラフィ装置を用いてパターン形成を基板に行う工程と、
    前記工程で前記パターン形成を行われた前記基板を加工する工程と、
    を含むことを特徴とする物品の製造方法。

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