JPH03153015A - 位置合わせ方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、位置合わせ方法及びその装置に関するもので
あり、詳しくは、複数の矩形領域（チップパターン）が
ｘ、ｙ方向に規則的に整列して形成された基板と、所定
の基準点との相対的な位置合わせ、例えばステップアン
ドリピート方式の投影型露光装置、プロキシミティＸ線
露光装置等における感応性基板（半導体ウェハ、液晶用
プレート等）とレチクル、又はマスクとの相対位置合わ
せの方法及び装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種の位置合わせ方法（アライメント方法）と
しては、第１に、特開昭６１−４４４２９号公報に開示
されているように、ウェハ上に形成された複数のチップ
パターンのうち、代表的ないくつかのチップパターンに
ついて露光前にアライメントを行って、チップパターン
のウェハ上での配列状態を設計上の配列座標に対する線
形誤差パラメータで決定し、これを基に個々のチップパ
ターンのレチクル（又はマスク）に対する位置合わせを
行う方法が知られている。また第２に、各チップパター
ンの露光毎にレチクル（又はマスク）に対するチップパ
ターンの相対位置ずれを計測し、その計測値を基に個々
のチップパターンの位置合わせを行う方法も、例えば特
開昭６０−１３０７４２号公報等で知られている。

上記特開昭６１−４４４２９号公報に開示された第１の
方法はウェハのグローバル・アライメント方法を拡張し
たものでありＥ、Ｇ、Ａ　（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｇｒｏ
ｂａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　）　、若しくはＡ、Ｇ。

Ａ　（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｇｌｏｂａｌ　Ａｌｉｇｎｍ
ｅｎｔ　）等と呼ばれている。また特開昭６０−１３０
７４２号公報に開示された第２の方法は各チップパター
ン毎に位置ずれ計測を行っては、その位置誤差を修正し
て露光することを繰り返すことから、イーチ・ショット
・アライメント法（Ｅ、　　Ｓ、　Ａ法）、又はグイ・
パイ・グイ・アライメント法（Ｄ／Ｄ、Ａ法）と呼ばれ
ている。このショットやグイとは、ウェハ上のチップパ
ターンに相当するものである。

そこで上記、第１の方法と第２の方法について、第１２
図を参照して簡単に説明する。

第１２図（Ａ）は第２の方法、即ちイーチ・ショット・
アライメント（Ｅ、Ｓ、Ａ）法を図示したものである。

通常、ウェハは円形であるため、周辺部には欠はチップ
が存在する。ステップアンドリピート方式の露光装置（
ステッパー）では、その欠はチップも含めて全てのチッ
プパターンを露光する場合と、欠はチップを除いた正常
なチップパターンのみを露光する場合とがある。またイ
ーチ・ショット・アライメント法による処理を前提とし
たウェハでは、各チップパターン毎にアライメントマー
クＭｘ、Ｍｙが、チップ中心に対して所定の位置関係で
形成されている。マークＭＸはそのチップのＸ方向（ウ
ェハのオリフラと平行な方向）の位置を検出するための
ものであり、マークＭｙはそのチップのｙ方向の位置を
検出するためのものである。

さて、ステップ・アンド・リピート方式で欠はチップも
露光する場合は、第１２図（Ａ）のように、レチクルの
パターン投影像が点Ｐ、（欠はチップの設計値上の中心
点）に位置するように、ウェハステージを位置決めする
。この欠はチップの場合、アライメントマークが存在し
ないので、そのままレチクルパターンの露光を行った後
、隣のチップパターンＣ１とレチクルパターン投影像と
がほぼ重なるようにステージを一定量だけステッピング
させる。チップパターンＣ１は欠はチップであるため、
ここでマークＭｘ、Ｍｙを用いたアライメントを行って
も意味がないので、ここでもそのまま露光を行う。こう
して、チップパターンｃ、、ｃ、、ｃ、、ｃ、、ｃ、の
順にステッピングを行っては露光を繰り返す。次にチッ
プパターンＣ３の左隣の欠はチップの中心点Ｐ、斜め左
下の欠はチップの中心点Ｐ２の順にステッピング、露光
を行い、次にチップパターンＣ１から右にチップパター
ンｃ、、ｃ、、ｃ、、ｃ１゜＋　Ｃｌ　ｌ　＋　ＣＩ　
２の順にステッピングと露光を繰り返す。この際、チッ
プパターンＣ１は欠けのない正常チップであるので、ス
テッピングのときにマークＭＸ、　Ｍｙの位置検出を行
ってレチクルパターン像とチップパターンＣ２とを精密
に位置合わせしてから露光を行う。チップパターンＣｌ
１Ｃ＠　＋　　ＣＩＯ＋　ＣＩ＋についても同様にアラ
イメントが行われる。以上が、イーチ・ショット・アラ
イメント法の１つのシーケンスであるが、欠はチップで
あっても、アライメントマークＭｘ、Ｍｙの両方が存在
するチップパターンについてはアライメントを行ってお
くシーケンスもある。その場合、欠はチップであるチッ
プパターン０１〜Ｃ１の夫々、及びチップパターンＣ＠
　ｍ　ＣＩ！＋　Ｃ１３についてもアライメントが行わ
れる。このようにイーチ・ショット・アライメント法の
ステッピング・シーケンスにはいくつかの変形例がある
が、基本的には、欠はチップを露光するか否かの選択と
、欠はチップでもマークが存在するときにアライメント
をするか否かの選択とを組み合わせたものになる。尚、
アライメントするか否かの選択において、欠はチップ上
に少なくとも１つのマークが存在すればアライメントし
ておくといった選択も可能である。また第１２図（Ａ）
中で、チップパターンＣ１１からＣＩ＋へのステッピン
グは、チップパターンＣ１２の右隣の欠はチップに対し
て、露光を行わないと指定された場合を示す。また同図
中、○は正常チップを表し、・は欠はチップを表す。

一方、特開昭６ｌ−４＝１４２９号公報に示された第１
の方法では、第１２図（Ｂ）に示すように、ウェハ上に
所定半径の円ＥＣを設定し、その円上に存在し、正多角
形のほぼ頂点に位置する複数のチップ、例えば７つのチ
ップパターンＣ，，Ｃ，、。

Ｃｌｓ＋　Ｃｌ＠＋　　ＣＩ＋＋　Ｃｌｌ＋　　Ｃ１ｅ
を指定し、その７つのチップパターンについてマークＭ
ｘ、Ｍｙの位置をアライメントセンサーで測子する。そ
してそれらの位置計測値と設計値とを用いて、チップパ
ターンの配列特性に関する誤差パラメータ（Ｘ。

ｙ方向のシフト、ウェハローテーション、配列の直交度
、及び伸縮）を最小二乗法等を使って算出する。誤差パ
ラメータが求まったら、設計上のチップパターン座標値
をそのパラメータに基づいて補正したステッピング座標
値を露光すべき全チップパターンに対して算出し、算出
された座標値にウェハが位置するように、ウェハステー
ジを順次ステッピングさせては露光を繰り返す。従って
、マークＭｘ、Ｍｙを用いた位置検出動作は、ステップ
アンドリピート法の露光動作の前に全て完了してり、先
の第２の方法（イーチ・ショット・アライメント）と比
較すると、スルーブツトは数段向上する。しかも従来の
グローバルアライメント法と異なり、チップパターンの
配列特性を高精度に認識するため、アライメント（マー
ク位置検出）を行わなかった他のチップパターンに対し
ても極めて位置合わせ精度が良いといった利点がある。

尚、第１２図（Ｂ）において、円ＥＣは、アライメント
すべきチップパターンがウェハの最外周から１つ内側に
位置するように設定する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、ウェハ上に形成された実際のチップパタ
ーンの各位置座標には、設計上の位置座標に対しランダ
ムな位置誤差が含まれる。また、個々のチップパターン
のアライメントマークを計測する場合、マーク自体の形
状歪みや、測定系に含まれるノイズ等に起因するランダ
ムな計測誤差が存在する。ランダムな位置誤差がランダ
ムな計測誤差に対して相対的に小さい場合は第１の方法
（Ｅ、　Ｇ、　Ａ法）が有利であり、逆の場合は第２の
方法（Ｅ、　　Ｓ、　Ａ法）が有利であると言える。

言い換えれば、第１のＥ、　Ｇ、　Ａ法はランダムな位
置誤差の影響を、また、第２のＥ、　Ｓ、　Ａ法はラン
ダムな計測誤差の影響を直接受けてしまう欠点があった
。実際のプロセス・ウェハでは、これら２種類の誤差の
両方がともに無視し得ない量で存在する場合が殆どで、
どちらかの方法を選んで使用しても位置合わせの精度低
下を防ぐことはできなかった。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、チップ
パターン配列のランダムな位置誤差や、アライメントマ
ーク検出時に含まれるランダムな位置誤差の影響を最小
限に抑えた精度の高い位置合わせ方法を提供することを
目的とするものである。

〔課題を解決する為の手段〕

上記問題点の解決のために本発明では、最初にチップパ
ターン（ショット領域）の配列状態を決定するための計
測を、例えば、特開昭６１−４４４２９号公報に開示さ
れた方法と同様に行い、設計上のチップパターン配列座
標に対する線形誤差パラメータを含むデータを求める。

また、チップパターンの設計上の配列座標に対するラン
ダムな位置誤差の統計量と、チップパターンのマーク位
置を計測した時の計測値に含まれるランダムな計測誤差
の統計量とを予めデータとして与える。これら２つの統
計量のデータと、前記線形誤差パラメータを用いて設計
位置から予測される座標データとから最小二乗推定法則
に基づいた位置推定フィルター（演算式）を構成してお
く。

次に、順次チップパターンをアライメントして得られた
計測位置座標（実測座標値）を、先に設定しておいた位
置推定フィルターに入力し、フィルターの出力値である
チップ位置推定値（推定座標値）を用いて位置合わせを
行うことを技術的要点とするものである。

〔作　用〕

本発明によれば、ランダムな誤差成分をチップ配列の位
置誤差と計測時の計測誤差との２つに分けて扱い、ラン
ダムな位置誤差とランダムな計測誤差との相対的な大小
関係によって、位置推定フィルターがＥ、Ｇ、Ａ法で決
定されたチップパターンの予測座標値（Ｆｎ）の方に重
みをかけるかあるいはＥ、Ｓ、Ａ法で得られる実測座標
値（Ｇｎ）の方に重みをかけるかを決定する。

即ち位置推定フィルターは、ランダムな配列誤差がラン
ダムな計測誤差に比べて相対的に大きくなるときはＥ、
　　Ｓ、　Ａ法によるアライメント結果（実測座標値）
に近い値を推定座標値として出力し、逆の場合はＥ、Ｇ
、Ａ法によるアライメント結果（予測座標値）に近い値
を推定座標値として出力する。もちろん、その中間的な
値の推定座標値も出力する。

またランダムな配列位置誤差、ランダムな計測誤差は予
め標準偏差（σ１．σｗ）として求めるようにし、その
標準偏差を使って重み付けの係数を設定するようにしで
ある。

本発明によれば、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法によっていくつかの
チップパターンをサンプル・アライメントし、その結果
によって決定されたチップパターンの予測座標値（Ｆｎ
）とＥ、　　Ｓ、　Ａ法によって検出された実測座標値
（Ｇｎ）との間で、ランダム誤差の影響が最も小さいと
推定される座標値（Ｔｎ）が決定されるため、Ｅ、　Ｇ
、　Ａ法の欠点（ランダムな配列誤差に弱い）とＥ、　
　Ｓ、　Ａ法の欠点（ランダムな計測誤差に弱い）とを
互いに補い合った高精度な位置合わせが実現できる。

〔実　施　例〕

第２図は本発明の方法を実施するのに好適な縮小投影型
露光装置（ステッパー）の概略的な構成を示す斜視図で
ある。投影原版となるレチクルＲは、その投影中心（回
路パターン領域の中心点）が投影レンズ１の光軸を通る
ように位置決めされて、装置に装着される。片側（又は
両側）テレセントリックな投影レンズｌはレチクルＲに
描かれた回路パターン像を１１５、又は　ｌ／１０に縮
小して、ウェハＷＡ上に投影する。ウェハホルダー２は
ウェハＷＡを真空吸着するとともにＸ方向とＹ方向に２
次元移動するステージ３に対して微小回転可能に設けら
れている。駆動モータ４はステージ３上に固定され、ウ
ェハホルダー２を回転させる。またステージ３のＸ方向
の移動はモータ５の駆動によって行われ、Ｙ方向の移動
はモータ６の駆動によって行われる。ステージ３の直交
する２辺には、反射平面がＹ方向に伸びた反射ミラー７
と、反射平面がＸ方向に伸びた反射ミラー８とが各々固
設されている。レーザ光波干渉り、長器（以下単にレー
ザ干渉計と呼ぶ）９は反射ミラー８にレーザ光を投射し
て、ステージ３のＹ方向の位置（又は移動量）を、例え
ば０．０２μｍの分解能で検出し、レーザ干渉計ｌＯは
反射ミラー７にレーザ光を投射して、ステージ３のＸ方
向の位置（又は移動量）を、同様の分解能で検出する。

投影レンズ１の側方には、ウェハＷＡ上の位置合わせ用
のマークを検出（又は観察）するために、オフアクシス
方式のウェハグローバルアライメント顕微鏡（以下、Ｗ
ＧＡと呼ぶ）２０，２１が設けられている。尚、ＷＧＡ
２１は第１図では投影レンズｌの後ろにあり、図示され
ていない。

ＷＧＡ２０．２１は夫々投影レンズｌの光軸ＡＸと平行
な光軸を有し、Ｘ方向に細長（伸びた帯状のレーザスポ
ット光ＹＳＰ、　　θＳＰをウェハＷＡ上に結像する。

（スポット光ＹＳＰは第１図では図示せず。）これらス
ポット光ＹＳＰ、θＳＰはウェハＷＡ上の感光剤（フォ
トレジスト）を感光させない波長の光であり、本実施例
では微小な振幅でＹ方向に振動している。そしてＷＧＡ
２０゜２１はマークからの散乱光や回折光を受光する充
電素子と、その光電信号をスポット光の振動周期で同期
整流する回路とを有し、スポット光θＳＰ（ＹＳＰ）の
Ｙ方向の振動中心に対するマークのＹ方向のずれ量に応
じたアライメント信号を出力する。従ってＷＧＡ２０．
２１は所謂スポット光振動走査型の光電顕微鏡と同等の
構成のものである。　さらに本装置には、投影レンズｌ
を介してウェハＷＡ上のマークを検出するレーザステッ
プアライメント（以下ＬＳＡと呼ぶ）光学系が設けられ
ている。不図示のレーザ光源から発生して、不図示のエ
クスパンダ−、ンリンドリカルレンズ等を通ってきたレ
ーザ光束ＬＢはフォトレジストを感光させない波長の光
であり、ビームスプリッタ３０に入射して２つの光束に
分割される。その一方のレーザ光束はミラー３１で反射
され、ビームスプリッタ３２を通過して、結像レンズ群
３３によって横断面が帯状のスポット光になるように収
束された後、レチクルＲと投影レンズｌとの間に、回路
パターン像の投影光路を遮光しないように配置された第
１折り返しミラー３４に入射する。

第１折り返しミラー３４はレーザ光束をレチクルＲに向
けて上方に反射する。そのレーザ光束はレチクルＲの下
側に設けられて、レチクルＲの表面と平行な反射平面を
有するミラー３５に入射して、投影レンズｌの入射瞳Ｅ
ｐの中心に向けて反射される。ミラー３５からのレーザ
光束は投影レンズ１によって主光線がウェハＷＡと垂直
になるように収束され、ウェハＷＡ上ではＸ方向に細長
く伸びた帯状のスポット光ＬＹＳとして結像される。

スポット光ＬＹＳはウェハＷＡ上でＸ方向に伸びた回折
格子状のマークＭｙ（第　図参照）を相対的にＹ方向に
走査して、そのマークの位置を検出するために使われる
。スポット光ＬＹＳがマークを照射すると、マークから
は回折光が生じる。それら光情報は再び投影レンズｌ、
ミラー３５、ミラー３４、結像レンズ群３３、及びビー
ムスプリッタ３４に戻り、ビームスプリッタ３４で反射
されて、集光レンズと投影レンズｌの瞳Ｅｐと共役な空
間フィルターとから成る光学素子３６に入射する。この
光学素子３６はマークからの回折光（１次回折光や２次
回折光）を透過させ、正反射光（０次光）を遮断して、
その回折光をミラー３７を介して光電素子３８の受光面
に集光する。光電素子３８は集光した回折光の光量に応
じた光電信号を出力する。以上、ミラー３１、ビームス
プリッタ−３２、結像レンズ群３３、ミラー３４゜３５
、光学素子３６、ミラー３７、及び光電素子３８は、ウ
ェハＷＡ上のマークのＹ方向の位置を検出するスルーザ
レンズ方式のアライメント光学系（以下、Ｙ−ＬＳＡ系
と呼ぶ）を構成する。

一方、ビームスプリッタ３０で分割された別のレーザ光
束は、ウェハＷＡ上のマークＭｘ（第図参照）のＸ方向
の位置を検出するスルーザレンズ方式のアライメント光
学系（以下、Ｘ−ＬＳＡと呼ぶ）に入射する。Ｘ−ＬＳ
Ａ系はＹ−ＬＳＡ系と全く同様にミラー４１．ビームス
プリッタ４２、結像レンズ群４３、ミラー４４，４５、
光学素子４６、ミラー４７、及び光電素子４８から構成
され、ウェハＷＡ上にＹ方向に細長く伸びた帯状のスポ
ット光ＬＸＳを結像する。

主制御装置５０は、光電素子３８．４８からの光電信号
、ＷＧＡ２０．２１からのアライメント信号、及びレー
ザ干渉計９．ＩＯからの位置情報とを入力して、位置合
わせのための各種演算処理を行うとともに、モータ４．
　５．　６を駆動するための指令を出力する。この主制
御装置５０はマイクロコンピュータやミニコンピユータ
等の演算処理部を備えており、その演算処理部にはウェ
ハＷＡに形成された複数のチップＣＰの設計位置情報（
ウェハＷＡ上のチップ配列座標値等）が記憶されている
。

さて、第３図は第２図の装置に設けられた他の構成を示
す図であり、フライアイ・レンズＦＬ、ビームスプリッ
タＢＭ、　、ミラーＭｌｓコンデンサーレンズＣＬ、及
び図示は省略したがレチクルブラインド（照明視野絞り
）の結像光学系ＩＬＳ等によって露光用照明光学系が構
成される。フライアイ・レンズＦＬの射出側の２次光源
は、レチクルＲのパターン領域ＰＡの両端を通る破線（
主光線）１１，１２からも明らかなように、瞳Ｅｐに結
像する。レチクルＲの回路パターン領域ＰＡの外側の２
ケ所、又は３ケ所には、レチクルアライメント用のマー
クが形成されており、このレチクルマークの夫々は、ビ
ームスプリッタＢＭ、、対物レンズＯＢ、　、ビームス
プリッタＢＭ、、ＢＭ１、及び結像レンズＧ１を介して
検出系ＲＣＶで検出される。第３図ではレチクルＲ上の
１ケ所のレチクルアライメント系のみについて詳細に図
示してあり、その他の位置に配置されたレチクルアライ
メント系についても構成は同じである。検出系ＲＣＶ内
には指標マーク、又は固定スリットが配置されており、
検出系ＲＣＶはレチクルマークとその固定スリットとの
位置ずれを検出し、そのずれが許容値以下になるように
レチクルステージＲ３Ｔを微動する。尚、レチクルマー
クの検出に際しては、露光用光源からオプチカル・ファ
イバーＦＢ、を介して導かれた露光波長の照明光を、レ
ンズ系Ｇ１、視野絞りＡｐ、及びレンズ系Ｇ２を介して
ビームスプリッタＢＭ、に入射させ、対物レンズＯＢ、
を通してレチクルマークを同軸落射照明する。視野絞り
Ａｐは対物レンズＯＢ、とレンズ系Ｇ２とによってレチ
クルＲと共役になっており、レチクルマークを含む所望
のマーク領域のみが照明される。一方、ウェハステージ
３上には表面に反射性クロムがコートされ、その一部に
アライメントマーク（基準マーク）が形成された基準マ
ーク板ＦＭが固設されている。レチクルアライメントの
際、レチクルＲのマーク領域の投影位置には、基準マー
ク板ＦＭのマークのない表面部分が位置するようにステ
ージ３が位置決めされる。この基準マーク板ＦＭの表面
にはウェハＷＡ上のマークＭｘ、Ｍｙと同じ形状のマー
クが形成され、このマー、りはミラー３４．３５等を含
むＹ−ＬＳＡ系（又はＸ−ＬＳＡ系）によって検出され
る。さらに基準マーク板ＦＭの表面にはクロム層をスリ
ット状に除去した透明部が形成され、裏面側からオプチ
カル・ファイバーＦＢ、を介して露光波長の照明光が照
射される。これによって、投影レンズｌの結像面（レチ
クルとの共役面）に発光スリットマークが作られ、この
発光マークは投影レンズｌによってレチクルＲへ逆投影
され、レチクルマーク上に結像する。発光マークの像光
線は、ビームスプリッタＢＭ２で反射され、対物レンズ
ＯＢ１、ビームスプリッタＢＭ、を介して光電検出器Ｄ
Ｔ、で受光される。検出器ＤＴ、の受光面は投影レンズ
ｌの瞳Ｅｐとほぼ共役に配置されている。また、この検
出器ＤＴ、を使わない時は、発光マークの像光線のうち
、ビームスプリッタＢＭ、を透過して露光用照明光学系
に逆進していく光束を、ビームスプリッタＢＭ、で反射
させて光電検出器ＤＴ、で受光する。この検出器ＤＴ、
も投影レンズｌの瞳Ｅｐと共役に配置されている。

以上の検出器ＤＴ、、ＤＴ、（いずれか一方でよい）ば
、レチクルマークの投影像面（ウェハＷＡ）側での投影
点と、Ｙ−ＬＳＡ系、Ｘ−ＬＳＡ系の各スポット光ＬＹ
Ｓ、ＬＸＳとの相対位置関係を、検出系ＲＣＶを用いた
レチクルアライメント後に計測するために使われる。検
出器ＤＴ、。

又はＤＴ、の信号処理は、第２図中に示した光電素子３
８．４８の信号処理系と同様に、レーザ干渉計９．ｌＯ
からのアップ・ダウン・パルス（０゜０２μｍ毎）に応
答して信号波形レベルをデジタル・サンプリングし、逐
次メモリに記憶した後、波形解析を行う方式で行われる
。

第４図は、ＷＧＡ２０．２１の各スポット光θＳＰ、Ｙ
ＳＰ、Ｙ−ＬＳＡ系、Ｘ−ＬＳＡ系の各スポット光ＬＹ
Ｓ、ＬＸＳ、　　レチクルマーク、及び基準マーク板Ｆ
Ｍ上の各種マークの関係を投影レンズｌの結像面（ウェ
ハＷＡの表面）上で表した配置図である。第４図におい
て、光軸ＡＸを原点とする座標系ｘｙを定めた時、Ｘ軸
とｙ軸は夫々ステージ３の移動方向、即ちレーザ干渉計
９゜ＩＯの各測長軸を表す。第４図中、光軸ＡＸを中心
とする円形の領域は投影レンズｌのイメージフィールド
ｉｆであり、その内側の矩形の領域はレチクルＲのパタ
ーン領域ＰＡの投影像Ｐｒである。スポット光ＬＹＳは
イメージフィールドｉｆ内で投影像Ｐｒの外側の位置で
、且つＸ軸上に一致するように形成され、スポット光Ｌ
ＸＳもイメージフィールドｉｆ内で投影像Ｐｒの外側の
位置で、ｙ軸上に一致するように形成される。一方、２
つのスポット光θＳＰ、ＹＳＰの振動中心はｙ軸からＸ
方向に距離Ｙ。だけ離れた線分（ｙ軸と平行）！、上に
一致するように、且つそのＸ方向の間隔ＤｘがウェハＷ
Ａの直径よりも小さな値になるように定められている。

本装置ではスポット光θＳＰ、ＹＳＰはｙ軸に対して左
右対称に配置されており、主制御装置５０は光軸ＡＸの
投影点に対するスポット光θＳＰ、ＹＳＰの位置に関す
る情報を記憶している。また主制御装置５０は、光軸Ａ
Ｘの投影点に対するスポット光ＬＹＳのＸ方向の中心位
置（距離ＸＩ）とスポット光ＬＸＳのＸ方向の中心位置
（距離Ｙｌ）に関する情報も記憶している。

さらに、レチクルＲの３ケ所にはレチクルマークＲＭｘ
、ＲＭｙ、ＲＭθが設けられ、マークＲＭｘはｙ軸と平
行なスリットパターン、マークＲＭＹ、ＲＭθはｙ軸と
平行なスリットパターンとする。レチクルアライメント
が精密に達成されると、マークＲＭｘはｙ軸上に、そし
てマークＲＭＹ、ＲＭθはともにＸ軸上に一致する。

一方、基準マーク板ＦＭには、第４図に示すように一例
として、ｙ軸と平行な発光スリットＩｓｙ、ｙ軸と平行
な発光スリットＩＳｘ、ｘ軸と平行に伸びたスポット光
ＹＳＰ、　　θＳＰ、ＬＹＳによって検出可能な回折格
子状のマークＦＧＶ、及びスポット光ＬＸＳによって検
出可能な回折格子状のマークＦＧｘとが形成されている
。そして、ここでは発光スリットＩＳｘとマークＦＧｘ
とをｙ軸と平行な線上に配置し、発光スリットＩＳｙと
マークＦＧＹとをｙ軸と平行な線上に配置する。

本実施例の場合、ウェハＷＡ上の各チップパターン毎に
設けられたマークＭｘ、Ｍｙは、基準マークＦＧｘ、Ｆ
Ｇｙと同一形状であり、レチクルＲと無関係なＸ−ＬＳ
Ａ系、Ｙ−ＬＳＡ系によって検出される。そこで発光ス
リットＩＳｘがレチクルマークＲＭｘと一致するように
ステージ３を移動させ、その時のステージ３のＸ方向の
位置ｘｂｒをレーザ干渉計１０で求め、次に基準マーク
ＦＧｘがＸ−ＬＳＡ系のスポット光ＬＸＳによって検出
されるようにステージ３を移動させて、スポット光ＬＸ
ＳとマークＦＧｘとが一致した時のＸ方向の位置Ｘｂｓ
を求める。主制御系５０は位置Ｘｂｒと位置Ｘｂｓとの
差Δｘｂを算出して記憶する。同様に、発光スリットＩ
ＳｙとレチクルマークＲＭｙ　（又はＲＭθ）とが一致
した時のＸ方向の位置Ｙｂｒと、Ｙ−ＬＳＡ系のスポッ
ト光ＬＹＳと基準マークＦＧｙとが一致した時のＸ方向
の位置Ｙｂｓとが求められ、その差Δｙｂが記憶される
。これら２つの値、Δｘｂ　　ΔＹｂは、スポット光Ｌ
ＸＳ、ＬＹＳの延長線の交点と、マークＲＭｘとマーク
ＲＭｙ　（ＲＭθ）の延長線の交点（レチクル中心点）
とのわずかな相対位置ずれ量（ベースライン量）であり
、以後のウェハアライメントの際には重要なデータとな
る。即ち、Ｘ−ＬＳＡ系、Ｙ−ＬＳＡ系によって検出さ
れたウェハＷＡ上のマークＭｘ、Ｍｙの各位置計測値に
対して、−律にΔＸｂ、ΔＹｂの補正値を加えたものを
、レチクルＲのパターン領域ＰＡの中心点を基準とした
チップパターンＣｐの座標位置として検出するのである
。このようにすれば、例えレチクルアライメントのｘ、
Ｘ方向の設定精度が不十分であったとしても、常にレチ
クル中心点を基準として各チップパターンの中心点の位
置が特定できることになる。

〔以下余白〕

次に、この装置を使った本発明による位置合わせ方法を
装置の動作とともに第１図のフローチャート図を使って
説明する。尚、この位置合わせはウェハＷＡの第２層目
以降について行われるものであり、ウェハＷＡ上にはチ
ップパターンＣｐと位置合わせ用マークＭｘ、Ｍｙとが
既に形成されている。

第１図中のステップ１００〜１０４は特開昭６１−４４
４２９号公報の中で説明しているのと全く同様の処理で
ある。即ち、ステップ１００で、ウェハＷＡのオリエン
テーション・フラット及びウェハ外形を基準として、プ
リアライメントステーション上でウェハＷＡの予備的位
置決めを行い、その後ステップ１０１で、ウエノ＼ＷＡ
をプリアライメントステーションからウェハステージ３
上のホルダーに搬送して吸着固定する。次に、ステップ
１０２において、２つのＷＧＡ系２０，２１を用いて、
第５図に示すようにウエノ＼ＷＡ上の２ケ所のグローバ
ル・マークＧＹ、Ｇθを同時検出し、ＷＧＡ２１のスポ
ット光ＹＳＰのｙ方向の振動中心がマークＧＹの中心と
一致し、ＷＧＡ２０のスポット光θＳＰのｙ方向の振動
中心がマークＧθの中心と一致するように、ウェハホル
ダーを微小回転させる。この動作によって、ウェハＷＡ
上のチップパターンの配列座標系とウェハステージ３の
ｘｙ座標系との相対回転誤差は、許容値以下に押さえら
れる。この値は極めて小さなものであるが、それでも厳
密には残存回転誤差が存在し得る。ウェハＷＡ上のグロ
ーバル・マークＧＹ、　Ｇθは、ウェハ中心近傍を通る
Ｘ軸と平行なストリートライン中に、間隔Ｄｘで形成さ
れている。第５図ではチップパターンを省略して図示し
であるが、マークＧＹ、Ｇθはチップパターン毎のマー
クＭｘ、Ｍｙと同様の回折格子状であり、ストリートラ
インの方向に沿って細長く形成され、マークＭｘ、Ｍｙ
よりも長く（２倍程度）作られている。

以上のステップ１０２によって、ウェハＷＡのグローバ
ル・アライメント（ｙ方向とθ方向）が完了し、引き続
き、ステップ１０３，１０４の順にＥ、　Ｇ、　Ａ法を
実行する。ステップ１０３では、第１２図（Ｂ）に示す
ように、指定された複数のチップパターンの各マークＭ
ｘ、Ｍｙの位置座標をＸ−ＬＳＡ系、Ｙ−ＬＳＡ系、及
びレーザ干渉計９．ｌＯによって計測する。そして、予
め記憶しておいたベースライン量ΔＸｂ、ΔＹｂの値だ
け計測値を補正したものを、実測座標値として記憶する
。尚、ステップ１０３では、検出に不都合があったり、
計測の信頼性が明らかに失われているような場合、その
計測マーク（チップパターン）についての実測値は以後
の演算に使わないようにする。あるいは、指定されたチ
ップパターンのマークＭｘ、Ｍｙの一部が破損していて
、光電信号の波形が明らかに異常と判断された時は、指
定チップパターンの隣のチップパターンに代替させてサ
ンプル・アライメントしてもよい。以上により、少なく
とも３つのチップパターンについてのマークＭｘ、Ｍｙ
の実測座標値が得られたら、次のステップ１０４で設計
座標値と実測値とを用いて最小二乗法により線形誤差パ
ラメータを決定する。決定方法は特開昭６１−４４４２
９号公報に開示されているのと同じ方法による。従って
ステップ１０４では次の式で表される線形誤差パラメー
タα、β、θ、ω、Ｏｘ、Ｏｙが決定される。

但し、α：ウェハのＸ方向の線形伸縮率β：ウェハのｙ
方向の線形伸縮率 ω：座標系ｘｙの直交度誤差量 θ：座標系ｘｙに対するチップ配列座標系の残存回転誤
差量 Ｏｘ：ウェハのＸ方向オフセット量 （μｍ） Ｏｙ：ウェハのｙ方向オフセット量 （μｍ） （Ｄｘｎ、［）ｙｎ）はｎ番目のチップパターンの設計
座標値。

（Ｆｘｎ、Ｆｙｎ）は線形誤差パラメータを考慮したｎ
番目のチップパターンの予測座標値。

尚、上記誤差パラメータは、直交度誤差量ω、残存回転
誤差量θがともに小さいものとして近似して求めたもの
であり、各パラメータの求め方については先の特許公報
以外に特開昭６２−８４５１６号公報にも開示されてい
る。

尚、式＋１１中の線形誤差パラメータの行列において、
α、β、Ｏｘ、Ｏｙは演算過程で単独に求められるが、
θ、ωについてはそのままでは単独に求められず、β・
θ、−α（θ＋ω）の形のままで求まる。

Ｅ、　Ｇ、　Ａ法の場合、結果において必要な誤差パラ
メータは、α、β、β・θ、及び−α（θ＋ω）の４つ
であり、θ、ωについては実際のアライメント動作中に
おいては、ことさら必要となるものではない。

次にステップ１０５．１０（ｉを実行するが、このステ
ップ１０５，１０６で必要なデータは、予め別のシーケ
ンス等で取得しておく必要がある。

そのシーケンスについては後で詳しく述べる。

さて、ステップ！０５ではチップパターンを線形配列と
みなした場合の位置に対し、実際のチップパターンが有
するランダムな位置誤差の標準偏差σ０．．σｕ２をデ
ータとして主制御装置５ｏに与える。ウェハＷＡ上に形
成された層が１層目のチップパターン配列であれば、ウ
ェハステージの位置決め特性からその統計量（σ１．．
σｕ、）を把握することができる。また、ウェハＷＡ上
の層が２層目以降でもチップパターンの線形配列ピッチ
に基づきウェハステージを移動させながら焼き付けられ
た場合（Ｅ、　Ｇ、　Ａ法等を使った場合）においては
、同様にステージの位置決め特性から統計量（σｕ、、
σｕ、）を把握できる。さらに、Ｅ。

Ｓ、　Ａ法、又はＤ／Ｄ、Ａ法で焼き付けられた層に対
しては、その層を持つパイロットウェハを流して、Ｅ、
　　Ｇ、　Ａ法で重ね合わせ露光を行い、チップパター
ンの重ね合わせ結果から、その統計量（σｕ、、σ工、
）を得ることができる。またこれら焼付は条件の異なる
層に対するデータを蓄積しておき、後に経験的データと
して使用することも可能である。

ここで第６図を参照して、チップパターンのランダムな
位置誤差の標準偏差σｕ、、σｕ、の概念を説明する。

第６図において、Ｘ軸と平行な線Ｌｘ＋Ｌｘ２と、ｙ軸
と平行な線ＬＹ１．ＬＹ２　。

Ｌｙｓ　、ＬＹ４　、ＬＹｓとは、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法に
よって特定された各チップパターンの予測位置に対応す
る基準格子を表し、ランダムな配列位置誤差のない理想
的な場合には、各線の交点の夫々に各チップパターンＣ
ｐの中心ＣＣが全て位置合わせされる。第６図の場合、
チップパターン配列は基準格子に対して全体的にＸｌ　
　Ｘ方向に一部量シフトしているが、これは図示を判別
しやすくするために誇張したものであり、実際には１μ
ｍ以下の微少量である。まず、各チップパターン毎に基
準格子交点とチップ中心ＣＣとのｘ、　　Ｘ方向のずれ
量ΔＸｉ、ΔＹｉを求める。計測するチップパターン数
ｍは多い方がよく、又ここでは計測時のランダムな計測
誤差は無いものと仮定する。　次に、ｍ個のずれ量デー
タの平均値Ｋｘ、Ｋｙを次式で求める。

ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍそして、Ｘ方
向、Ｘ方向の各標準偏差σ工８．σｕ。

を次式によって求める。

以上が、ランダムな位置誤差に関する統計量の求め方の
一例であるが、実際には先にも述べたように３つの場合
、即ち、 条件Ａ：　重ね合わせ露光すべきウェハ上のチップパタ
ーンの層がファースト・プ リント（１層目）で形成されている場 合、 条件Ｂ：　重ね合わせ露光すべきウェハ上のチップパタ
ーンの層がＥ、　Ｇ、　Ａ法で形成されている場合、 条件Ｃ：　重ね合わせ露光すべきウェハ上のチップパタ
ーンの層がＥ、　　Ｓ、　Ａ法、若しくはＤ／Ｄ、Ａ法
で形成されてい る場合、 とによって夫々最適な手法で予め統計量（σｕ、。

σ１．）を求めることになり、その数値も異なったもの
になることがある。

次のステップ１０６ではチップパターンが有するマーク
Ｍｘ、Ｍｙを計測した場合に計測値に含まれるランダム
な計測誤差の標準偏差σ工、　σｗ。

をデータとして主制御装置５０に与える。

これはマーク形状の歪み、ウェハ表面のレジスト層の光
学特性、あるいは計測系に存在するノイズ等により異な
るもので、パイロットウェハを使用してＥ、　　Ｓ、　
Ａ法、又はＤ／Ｄ、Ａ法で重ね合わせ露光を行い、ウェ
ハ上に形成されたチップパターンの重ね合わせ結果（合
わせずれ）、あるいは先にデータとして与えられるステ
ージの位置決め特性から、その統計量（σ１３．σ１．
）を得ることができる。その他に、ステップ１０４で複
数のチップパターンのマーク検出を行って得られたチッ
プ位置座標（実測値）と、そこで決定された線形誤差パ
ラメータを用いて式（１１から算出したチップ位置予測
座標値（Ｆｘｎ、Ｆｙｎ）と、ステップ１０５で与えら
れた統計量σｗとから求めることもできる。これも統計
量σｗと同様に層に対応じたデータを蓄積していけば、
経験的に最適な値に決定することも可能である。またラ
ンダムな計測誤差としてマーク検出時の信号波形歪みも
考えられる。

第７図は、マークＭｘとスポット光ＬＸＳとの相対走査
の様子と光電信号の波形の様子との一例を示す。第７図
（Ａ）のように、マークＭｘは相対走査方向（Ｘ方向）
と直交したＸ方向に一定のピッチを有する回折格子状で
あり、マークＭｘはステージ３の移動によりスポット光
ＬＸＳを平行に横切るように走査される。このとき光電
素子４８からの信号波形は第７図（Ｂ）のように得られ
る。この信号波形は通常、あるスライスレベル■ｒと比
較され、信号波形の立ち上がりと立ち下がりのスライス
レベルＶｒとの各交点の中心点を、マークＭｘのＸ方向
の中心位置として決定している。第７図の信号波形は対
称性が保存されている場合であるが、マーク形状歪み等
によって、同様のピッチ構成のマークであっても、第７
図（Ｃ）のように非対称な波形になったり、第７図（Ｄ
）のように明確なピークが得られなかったり、或いは第
７図（Ｅ）のように本来１つのピークであるものが山割
れを起こしたりする。第７図（Ｄ）のような波形の場合
、波形解析アルゴリズムによってマーク位置検出に不適
当と判断され、予めリジェクトされ得る。山割れ波形の
場合はその程度にもよるが、山割れによって生じた隣接
する２つのピークがマーク幅で決まる一定間隔内にある
ときはｉつのマーク波形とみなし、スライスレベルの設
定でマーク中心位置を計測することができる。

しかしながらランダムな計測誤差は、第７図（Ｃ）の波
形のときと同様に、無視し得ない程度に含まれることに
なる。

またランダムな計測誤差はウェハ上のマーク位置によっ
ても異なることが知られている。これはウェハプロセス
（熱的、化学的処理）の影響、レジスト層の影響等がウ
ェハ上の位置によって若干具なることに起因している。

さて、次のステップ１０７では、ステップ１０４で求め
られた当該ウェハＷＡに関する誤差パラメータ（α、β
、θ、ω、Ｏｘ、Ｏｙ）と、Ｅ。

Ｇ、Ａ法で算出されたチップパターンの座標位置（Ｆｘ
ｎ、Ｆｙｎ）　、及びステップ１０５，１０６で与えら
れた第１統計量としてのランダムな配列位置誤差の標準
偏差（σｗ８．σ１．）と、第２統計量としてのランダ
ムな計測誤差の標準偏差（σｗｘ、σｍｙ）とに基づい
て、位置推定フィルター（演算式）を作成する。この位
置推定フィルターは、時間的に変化し得る入力情報を時
系列的に取り込んで、その入力情報に含まれるランダム
誤差を低減させて、実際の変化により近いと推定される
出力情報を得るためのカルマン・フィルターをアライメ
ント用に改良したものであり、チップ位置の最小二乗推
定量を求めるものである。結論から先に述へると、この
位置推定フィルターは、ランダムな誤差要因のうち、マ
ーク検出時に生じる計測誤差の統計量（σｗ１．σｗ、
）が大きくなるときは、Ｅ、　　Ｓ、　Ａ法（又はＤ／
Ｄ、Ａ法）によるアライメント結果よりもＥ、Ｇ、Ａ法
によるアライメント結果の方にウェイトを置き、チップ
パターンの配列のランダムな位置誤差の統計量（σｕ、
、σｗ、）が大きくなるときは、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法によ
るアライメント結果よりもＥ、　　Ｓ、　Ａ法（又はＤ
／Ｄ、Ａ法）のアライメント結果の方にウェイトを置く
ように働くものである。

従って、本実施例の位置推定フィルターを使う場合は、
Ｅ、　Ｇ、　Ａ？１での計測動作の後にウェハＷＡ上の
各チップパターン毎にマークＭｘ、Ｍｙを計測してアラ
イメントするＥ、　　Ｓ、　　Ａ　（又はＤ／Ｄ、　Ａ
）法を実行することが前提となる。

そこでまず、位置推定フィルターの決定方法についての
説明を行うが、その前に一般的な最小二乗推定法則から
説明する。

今、測定すべき物理量をＸで表し、それを信号（人力情
報）と呼ぶものとする。信号がランダムに変動している
場合、それは１つの確率変数として考えられる。信号が
多数の物理量Ｘｌ＋Ｘｌ・・・・・・Ｘ、から成る場合
、それは確率変数ベクトルとして次のように表す。

また、その物理量についての測定値がＹ＋、’Ｙ２・・
・・・・ｙ、と複数得られ、各測定値に含まれる雑音が
ｗ、、ｗ２・・・・・・ｗ４　である場合、測定量と雑
音は次のように表される。

ここで信号Ｘは、直接側ることはできないが、適当な測
定機構を介在させることによって測定値ｙとして測れる
ものとする。

その適当な測定機構は次式の関係で測定値ｙを出力する
。

ｙ＝Ｃ−Ｘ＋Ｗ　　　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・（５）ただし、 ｙ：測定値（ｍ次元確率変数ベクトル）Ｃ・測定系のゲ
イン（ｍＸｎ係数行列）Ｗ：観測雑音値（ｍ次元確率変
数ベクトル）さらに、信号Ｘと雑音値Ｗとは独立である
と仮定し、それらの平均値Ｘ、　Ｗと分散行列ｘ、Ｗと
は既知であって、期待値をＥとして以下のように与えら
れているものとする。

尚、（Ｘ−Ｘ）’　　　（Ｗ−Ｗ）’　は夫々ｘ−ｘ。

ｗ−ｗの転置行列を表す。

信号Ｘ（真の値）は直接求められないが、その推定値量
は次に示した測定値ｙの線形演算式で与えられるものと
考える。

童＝ｈ−ｙ＋ｔｔ　　　　　　　　　　・・・・・・・
・・・・・（７）ここでＨは測定系のゲインに相当した
ｎＸｍの行列であり、ｄはオフセットに相当したｎ次元
定数ベクトルである。

そして信号Ｘと推定値量との差ｅを誤差ベクトルと呼び
、 Ｃ＝文−Ｘ　　　　　　　　　　・・・・・・・・・・
・・（８）と定義される。

この誤差ベクトルＣの平均値を零にし、かつその分散行
列に関する任意の２次形式を最小にする推定法則を最小
二乗推定量（童）と呼び、次式で定義される。

童＝ｘ＋Ｐ−Ｃ’　　Ｘ Ｗ−’　　ＩＹ−（Ｃ−Ｘ＋Ｗ）ｌ　　−−−−・−・
・−（９まただし、 Ｆ　＝　（Ｘ−’　＋　Ｃ’　　−Ｗ−’　−Ｃ）　−
’　・・−・−・・−−−−、ＧＯ）この式（９１，（
１ωにおいて、Ｃ”はＣの転置行列を表し、ｘ−’、ｗ
−’は夫々分散行列ｘ、Ｗの逆行列を表す。

以上、式（９１，（１０１が一般的な最小二乗推定法則
のの考え方を表したものであるが、次にこれをウェハ上
のチップパターンの位置合わせに用いる位置推定フィル
ターに応用する場合について説明する。

一般式で扱われる信号Ｘは、チップパターンのウェハ上
での真の座標値Ｓに相当し、ｎ番目のチップパターンの
真の座標値＄ｎは次式で表される。

５ｎ＝Ａ・　（Ｄｎ＋ｕ）＋Ｏ　　−−（１１）ただし
、 Ｄｎ　：　ｎ番目のチップパターンの設計位置座標値、 Ｕ＝チップパターン配列が設計位置座標値に対してラン
ダムに変動している量、 Ａ：式（１１で求められた線形誤差パラメータのうち、
α、β、θ、ωで決まる係数行列、０：チップパターン
配列船隊の設計値からのシフト量で、式ｆｉ＋で求めら
れた線形誤差パラメータのうち、Ｏｘ、Ｏｙで決まる行
列である。

従って、式（１１）を式＋１１と同様に書き改めれば、
式＋１．Ｚのようになる。

Ｘ　　（Ｄｎ＋ｕ）＋Ｑ　　　　　・・・・・・・・・
・・・但ここでＵはチップパターンのランダムな位置誤
差成分に相当した２次元の確率変数ベクトルであり、以
下のように扱う。

ｕ＝　（ｕｇ　、ｕｙ　）　　　　　　　・・・・・・
・・・・・・（ｌＪただし、ｕ、：チップパターンのＸ
軸方向のランダムな配列誤差。

ｕ７　：チップパターンのｙ軸方向のランダムな配列誤
差。

である。

さらに、ランダム誤差成分のベクトルＵの平均値Ｕは次
のように定められる。

Ｕ＝Ｏ・・・・山川・・（ｌり 一方、ウェハ上のｎ番目のチップパターンのマークを検
出して得られたチップ位置の測定値６ｎは、先の式（５
）に対して次のように定義できる。

ここでＷは観測雑音、即ちマーク位置計測時のランダム
な計測誤差成分に相当した２次元の確率変数ベクトルで
あり、以下のように扱う。

ｗ＝　（ｗ、、ｗ、）　　　　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・（１６まただし、ｗ、：マーク計測時の
Ｘ軸方向のランダム誤差、 Ｗ、：マーク計測時のｙ軸方向のランダム誤差、 である。

また、ランダム誤差成分のベクトルＷの平均値Ｗと、真
のチップ位置座標＄ｎに対する測定系ゲインＣは次のよ
うに定められる。

ｗ＝０　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・（ｌηツタ−演算式は、先の式（９）と同様にし
て次のように定められる。ここで式（９）中の童に対応
する出力値としての推定座標値（最小二乗推定量）は、
Ｉｎ　（Ｔｘｎ、Ｔｙｎ）であり、式（９）中のＸはＦ
ｎに、ｙは６ｎに相当する。

また、先の式（ｌωより、 Ｐｎ＝　　（Ｘ−’＋Ｃ’　　・Ｗ　’　・Ｃ）＝　（
Ｘ−’＋Ｗ−’）−’　　　　・・・・・・・・・・・
・・・・（至）となる。

従って、式（１９１から次の位置推定フィルターの式が
導出される。

以上の対応関係に基づいて、位置推定フィルここで、１
１．　ｗの分散行列Ｕ、　Ｗは、Ｕ＝Ｅ（ｕ−ｕ）（ｕ
−ｕ）’ で求まる。

従って、 Ｘ＝Ｅ　（Ａｕ−Ａｕ）（Ａｕ−Ａｕ）Ａ・υ・Ａ。

Ｗ＝　Ｅ（ｗ−ｖｉｒ）（ｗ−ｖｉｒ）’であり、これ
らはデータとして与えられているため既知である。

ここでウェハのチップ配列に関する線形誤差ノ（ラメー
タは次の近似が仮定できる。

θ＜１．ω＜１．　　α＃１．　　β＃ｌ一方、真の信
号Ｓｎ　（ｘｎ）の分散行列Ｘは、式ｆＩＤ中において
、マが確率変数ベクトルであって、その他のＡ、Ｄｎ、
０は係数ベクトルであるため、ベクトルＡ−ｕを先の式
（６）のＸに対応させることまた、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法で
算出された予測座標値Ｆｎは式（９）のＸに対応してお
り、式＋１１で既に決定されていることから、式（２１
）の右辺は、測定値Ｇｎを除いた全ての変数が既知のデ
ータや算出値で表される。従って、最小二乗推定法則を
用いた具体的な位置推定フィルターは、次式で与えられ
る。

・・・・・・・・・・・・（２５） これにより測定値６ｎが与えられればチップ位置推定フ
ィルターを通して推定座標値（Ｔｘｎ、　Ｔｙｎ）の算
出が可能になる。

この式（２５）において、測定値Ｇｎ　（Ｇｘｎ、Ｇｙ
ｎ）は以後の処理で個々のチップパターンのマークＭｘ
、Ｍｙを検出して得られるチップ位置実測値である。

式（２５）はベクトル表記すると、式（２６）のように
なり、Ｕ−’、Ｗ−’は夫々Ｕ、　Ｗの逆行列である。

Ｔｎ＝Ｆｎ＋　（Ｕ−’＋Ｗ　’） ＸＷ＝　・（Ｇ　ｎ　−Ｆ　ｎ　）　　−・（２６）こ
の式（２６）で、Ｕはランダムな配列位置誤差の統計量
に関する値（分散行列）であり、Ｗはランダムな計測誤
差の統計量に関する値（分散行列）である。また、式（
１）中の線形誤差パラメータの係数項をＲ，オフセット
（Ｏｘ、　Ｏｙ）を０とすると、次式のベクトル表記に
なる。

Ｆｎ＝Ｒ−Ｄｎ＋Ｏ　　　　　　・・・・・・・・・・
・・（２７）ただし、 以上の通り、位置推定フィルターが決定されると、次に
第１図のステップ１０８を実行する。ステップ１０８に
おいて、個々のチップパターンのマークＭｘ、Ｍｙを用
いて位置計測を行い、得られた実測座標値（Ｇｘｎ、Ｇ
ｙｎ）を式（２５）に代入するとともに、式（１１から
得られた対応する予測座標値（Ｆｘｎ、Ｆｙｎ）を式（
２５）に代入して、推定座標値（Ｔｘｎ、Ｔｙｎ）を求
め、この値を用いてステージ３を基準位置（レチクルの
中心点）に対し位置合わせする。

ステップ１０９ではその位置合わせされたチップパター
ンに対して露光を行う。そしてステップ１１０でウェハ
ＷＡ上の全チップの露光が終了したと判断されたら、次
のステップＩｌｌでウェハＷＡのアンロードを行い、−
枚のウェハの露光処理が全て完了する。

以上、本実施例の動作を説明したが、第１図のフローチ
ャートをブロック化したものを、さらに第８図を参照し
て説明する。第８図のブロックはと第２図中の主制御装
置５０内に設けられたコンピュータのソフトウェア、若
しくはデータベース（メモリ）等で構成されるものであ
る。ブロック２００はウェハＷＡ上のチップパターンの
設計位置座標のデータＩ）ｎ　（Ｄｘｎ、Ｄｙｎ）を記
憶する部分であり、ブロック２０１はウェハＷＡ上のチ
ップパターンのうち、マーク検出（位置計測）を行うチ
ップを選ぶチップセレクターであり、Ｅ。

Ｇ、　Ａ法のサンプル・アライメント・チップの指定、
或いはＥ、　Ｓ、　Ａ法（又はＤ／Ｄ、Ａ法）でのアラ
イメント・チップの指定を行う。

ブロック２０２は、チップセレクター２０１で指定され
たチップパターンを、Ｘ−ＬＳＡ系、ＹＬＳＡ系等のア
ライメントセンサーを用いて位置計測するための計測部
であり、第２図に示した干渉計９．ＩＯからの測定値２
０５に基づいて、各チップパターンの実測座標位置を出
力する。この出力値は、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法のサンプル・
アライメント時にはスイッチＳｗを介してブロック２０
３の線形誤差パラメータＲ，０の決定部に送られる。

ブロック２０４はパラメータ１．０を用いたＥ。

Ｇ、　Ａ演算部であり、ブロック２００からのデータＤ
ｎに基づいて先の式（２７）、即ち式（１）を演算して
予測座標値Ｆｎ　（Ｆｘｎ、Ｆｙｎ）を出力する。

ブロック２０７は、式（２５）、又は式（２６）で定義
された位置推定フィルターの演算部であり、予め求めて
おいたランダムな配列誤差に関する第１統計量Ｕ、即ち
標準偏差（σ１．．σ＋＋ｙ）とランダムな計測誤差に
関する第２統計量Ｗ、即ち標準偏差（σ１．．σｗｙ）
とを、夫々ブロック２０８．２０９の記憶部から読み出
し、式（２６）中の係数行列部分、（Ｕ−’＋Ｗ−’）
−１・Ｗ−１を予め演算して定数化しておく。

Ｅ、　Ｇ、　Ａ法によるサンプル・アライメントが終了
して位置推定フィルターに入力すべき測定値６ｎ以外の
データが全て決定されると、スイッチＳＷは図示の方向
に切り換えられ、チップセレクター２０１はＥ、　　Ｓ
、　Ａ法（又はＤ／Ｄ、Ａ法）によるアライメントチッ
プの指定を行う。そして、干渉計測定値２０５に従って
、１番目（ｎ＝１）のチップ位置がＸ−ＬＳＡ系、Ｙ−
ＬＳＡ系によって計測されるように、ステージ３のコン
トロール部２０６を制御する。計測部２０２から出力さ
れた位置計測値は、実測座標値にｎ　（Ｇｘｎ。

Ｇｙｎ）としてブロック２０７に送られ、同時にブロッ
ク２０４からは、その対応するチップパターンの予測座
標値ｉｎ　（Ｆｘｎ、Ｆｙｎ）も送られる。この２つの
座標値Ｇｎ、Ｆｎに基づいて位置推定フィルターは推定
座標値Ｔｎ（Ｔｘｒｔ。

Ｔｙｎ）を算出し、ブロック２１０のアルゴリズムセレ
クターへ出力する。アルゴリズムセレクター２１０は推
定座標値（Ｔｘｎ、Ｔｙｎ）のみを使ってステージ３を
位置決めする時は不要であるが、ステッパーとしては実
測座標値（Ｇｘｎ。

Ｇｙｎ）や予測座標値（Ｆｘｎ、Ｆｙｎ）を用いたステ
ージ３の位置決めモードも必要になるため、その３種の
座標値を択一的に切り換えてステージコントローラ部２
０６に出力する。

コントローラ部２０６はセレクター２１０から出力され
た座標値（Ｔ　ｎ　ｅ　Ｇ　ｎ　−Ｆ　ｎのいずれか１
つ）を目標値として、それと干渉計測定値とが高精度に
一致するようにステージ３をサーボ制御する。

以上の説明において位置推定フィルターの式（２５）は
さらに簡単な式に変形できる。

よって、 （Ｕ−’＋Ｗ−’）−’・Ｗ−１ となり、式（２５）をｘ、　　ｙ成分毎に表すと、とな
る。

ここで、 とすると、これら係数（Ｑｘ、Ｑｙ）は予めブロック２
０７内で演算されて定数となって記憶されており、位置
推定フィルターの式は次のように変形できる。

Ｔｎ＝Ｆｎ＋Ｑ・　（Ｇｎ−Ｆｎ）　　＝・・−（３０
）この定数（Ｑｘ、Ｑｙ）は、ランダムな配列位置誤差
とランダムな計測誤差との大小関係によって、個々のチ
ップパターンの実ホリ座標値（Ｇｘｎ、　Ｇｙｎ）に重
みを持たせるか、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法で予測されたチップ
パターンの予測座標値（Ｆｘｎ、　　Ｆｙｎ）に重みを
持たせるかを決定する重み係数に相当する。

そして係数（Ｑｘ、Ｑｙ）はｌよりも小さい値を取り、
ランダムな位置誤差の統計量（σ１８．σｕ２）がラン
ダムな計測誤差の統計量（σ１．．σｕ、）に比べて相
対的に大きくなっている時には係数（Ｑｘ、Ｑｙ）はｌ
に近づき、逆に統計量（σ１．．σ１．）の方が統計量
（σｕ、、σｗ、）に比べて相対的に大きくなっている
時には、係数（Ｑｘ。

Ｑｙ）は０に近づく。式（３０）から明らかなように、
係数（Ｑｘ、Ｑｙ）が１より小さくなって限りなく０に
近づけば、式（３０）の右辺の２項目は無視され、Ｔｘ
ｎ＝Ｆｘｎ、Ｔｙｎ＝Ｆｙｎと算出される。また係数（
Ｑｘ、Ｑｙ）が限りなくｌに近づけば、式（３０）の右
辺のＦｎが無視され、ＴｘｎＧｘｎ、Ｔｙｎ＝Ｇｙｎと
算出される。

このように、本実施例の位置推定フィルターにおいては
、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法で決定された予測座標値（Ｆ　ｘ　
ｎ、　　Ｆ　ｙ　ｎ）から実測座標値（Ｇｘｎ、　Ｇｙ
ｎ）までの間のいずれかの座標値にチップパターンが位
置決めされることになる。

第９図は、ランダムな配列位置誤差の標準偏差σｕをあ
る一定値に固定した状態で、ランダムな計測誤差の標準
偏差σｗを変化させた場合の位置合わせ誤差の偏差σ８
をシミュレーションにより求めたグラフである。第９図
において、横軸はランダムな計測誤差の偏差σｗ（μｍ
）を表し、縦軸は位置合わせ誤差の偏差σ６（μｍ）を
表す。

ランダムな位置誤差の偏差σｗが一定である場合、Ｅ、
　Ｇ、　Ａ法によって重ね合わせ露光した時の位置合わ
せ誤差の偏差特性はＣＶ２のように、ランダムな計測誤
差によらず一定になる。

また、Ｅ、　　Ｓ、　Ａ　（又はＤ／Ｄ、Ａ）法によっ
て重ね合わせ露光した時の位置合わせ誤差の偏差特性は
ＣＶＩのように、ランダムな位置誤差の偏差σｕとは殆
ど無関係にランダムな計測誤差の偏差σｗに比例して増
大する。これに対して、本実施例による位置推定フィル
ターを通して決定された推定座標値（Ｔｘｎ、Ｔｙｎ）
を用いて重ね合わせ露光した時の位置合わせ誤差の偏差
特性はＣＶ３のようになる。

特性ＣＶ３は、σｗが特性ＣｖｌとＣＶ２の交点Ｃｒよ
りも小さい時は特性ＣＶＩの直線に漸近し、σｗが交点
Ｃｒよりも大きい時は特性ＣＶ２の直線に漸近するよう
な双曲線状になり、特性ＣＶＩ。

ＣＶ２の両方の特性のうち良い方に平滑化したようなも
のであり、いずれの場合よりも精度が向上する。

最も精度向上の効果が期待できるのは、交点Ｃｒの部分
である。

尚、ランダムな位置誤差の偏差σｗの変化は、特性ＣＶ
２がグラフ上で上下に平行移動することを意味するが、
その場合でも特性ＣＶ３は常に特性ＣＶｌ、ＣＶ２の下
側にある。

以上、本実施例では、まず最初に数チップ（３つ以上）
をサンプル・アライメントすることによリウェハ全体の
チップ配列のパラメータ（Ｒ。

０）を決定しているが、配列の非線形要素を考慮する必
要がある場合には、Ｅ、　　Ｓ、　Ａ法で露光を開始す
る近傍の数チップで配列パラメータ（Ｒ。

０）を決定し、その後はＥ、　　Ｓ、　Ａ法で得られた
チップの計測位置座標（Ｃｎ）を用いて配列パラメータ
を更新していけば非線形要素の影響による位置合わせ精
度の低下を防ぐことができる。

第１Ｏ図はその一例を示す図であり、ウェハＷＡ上の最
上列のチップＣＩから右へチップＣ３・・・Ｃ５・・・
Ｃ８の順にＥ、　　Ｓ、　Ａ法の露光を行い、２列目は
チップＣ９，ＣＩＯ・・・と左へＥ、　　Ｓ、　Ａ法の
露光を行うものとする。

まずチップＣ１の近傍の数チップ、例えばチップＣａ、
Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃ３についてサンプル・アライメント（実
測座標値の取得）を行い、次にチップＣＩについてアラ
イメントを行って実測座標値（Ｇｎ）を求めてから線形
誤差パラメータＲ，０を決定する。そしてチップＣｔの
予測座標値（Ｆｎ）と実測座標値（Ｇｎ）を位置推定フ
ィルターに入力して推定座標値（Ｔｎ）を算出する。さ
らに、その推定座標値（Ｔｎ）に対してステージ３を位
置決めして、チップＣｔの露光を行う。次に隣のチップ
（Ｃ２）ヘスチッピングさせて、同様に実測座標値（Ｃ
ｎ）を求め、推定座標値（Ｉｎ）に従ってそのチップ（
Ｃ２）の露光を行う。

以上のようにＥ、　Ｓ、　Ａ法の露光が進むにつれて、
露光したチップの実測座標値（Ｇｎ）のデータが蓄積さ
れてくるので、初めにＥ、　Ｇ、　Ａ法で決定された誤
差パラメータ（Ｒ、Ｏ）を適宜修正する。

例えばチップＣ５やＣ１Ｏを位置合わせするとき、チッ
プ配列に非線形要素が含まれていると、チップＣａ、Ｃ
ｂ、Ｃｃ、ＣＩ、Ｃ’、を用いて初めに決めたパラメー
タ（Ｒ，Ｏ）では必ずしも最適な精度が得られないとい
うことがある。そこで、すでに実測座標値（Ｇｎ）の求
まっているチップＣ３、Ｃ５，Ｃｃ、Ｃ６等を用いて誤
差パラメータ（Ｒ，Ｏ）の再演算を行う。そしてその結
果から決定される予測座標値（Ｆｎ）を使って、チップ
Ｃ８，ＣＩＯ等の推定座標値（Ｔｎ）を算出する。

このようにすると、ウェハＷＡ上の領域によって異なる
配列誤差量（非線形要素）の影響が低減され、全面でほ
ぼ−様な重ね合わせ精度が得られる。

またその変形例として、初めにＥ、　Ｇ、　Ａ法と同様
に、ウェハＷＡを適当なブロックに分け、各ブロックか
ら代表的なチップＣｃ、　Ｃｄ、　Ｃｅ。

Ｃｆを選んで、その各実測座標値（Ｇｎ）をサンプル・
アライメントによって予め取得しておき、さらにＥ、　
　Ｓ、　Ａ法の露光に入る前に近傍のチップＣａ、Ｃｂ
についてもサンプル・アライメントを行い、チップＣＩ
の露光を行う時は、チップＣ１の実測座標値（Ｇｎ）を
取得した後、チップＣＩに近いチップ（例えばＣ１，Ｃ
ａ、Ｃｂ、ＣＣ）の実測座標値に対しては重み付けを大
きくし、チップＣ１から遠いチップ（例えばＣｅ、Ｃｆ
）の実測座標値（Ｇｎ）に対しては重み付けを小さくし
てから、誤差パラメータ（Ｒ，Ｏ）を算出する。そして
、露光が進むにつれて、その露光すべきチップの近傍の
数チップの実測座標値に対しては重み付けを大きくして
決定した誤差パラメータ（Ｒ、Ｏ）に修正していく。こ
のようにすると、露光すべきチップが含まれるウェハ上
のブロック毎に最適化されたＥ、　Ｇ、　Ａ法が適用で
きるため、さらに非線形要素の影響が低減できる。

尚、第１θ図に示した方法は、基本的には特開昭６２−
２９１１３３号公報に開示された方法と同じであり、Ｅ
、　Ｇ、　Ａ法の演算式を用いる場合は、可変ブロック
化Ｅ、Ｇ、Ａ法とも呼ばれる。

次に、本発明の実施例による位置合わせ方法に利用でき
る他のアライメントセンサーについて簡単に説明する。

そのアライメントセンサーのうち１つはＷＧＡ２０．２
１と同様に、投影レンズと別設された画像処理機能を備
えたウェハマーク像観察形アライメント系（Ｆ、　　１
．　Ａと呼ぶ）であり、もう１つは投影レンズを介して
レチクルマークとウェハマークとの位置ずれを直接検出
するＴＴＲアライメント系（Ｄ／Ｄ、アライメント系）
である。

Ｆ、１．Ａ系はウェハ上のレジスト層に対して非感光性
で波長帯域幅３００ｎｍ程度のブロードバンド照明光を
、色消しされた対物レンズを介してウェハ上のマーク領
域に照射し、その反射像を対物レンズを介して２次元撮
像素子上に結像する構成となっている。そして撮像され
たマークのコントラストに応じた画像信号は画像処理用
の高速プロセッサーで処理され、マークの中心点が画面
内の画像位置として求められる。さらに、画面内に予め
設定されたカーソル線に対するマーク中心点のずれを画
素数で求めた後、ステージ３の座標系におけるずれ量に
換算する。このずれ量をステージ３の停止現在位置（干
渉計９．ｌＯの読み値）から補正したものが、マーク中
心点の実測座標値（Ｇｎ）になる。このＦ、１．Ａ系を
用いる場合も、Ｘ−ＬＳＡ系、Ｙ−ＬＳＡ系と同様にサ
イト・パイ・サイト方式のアライメントになるため、ス
テージ３上の基準マーク板ＦＭを使って、レチクルパタ
ーン領域の中心点とＦ、１．Ａ系内の基準指標となるカ
ーソル線との間の距離（ベースラインΔＸｂｒ、　ΔＹ
ｂｒ）に関する情報を、予め正確に計測しておく。そし
て、計測された座標値（Ｇｎ）に対して一律にベースラ
イン（ΔＸｂｒ。

ΔＹｂ　ｒ）分の補正を加えたものをＥ、　Ｇ、　Ａ法
の演算、又は位置推定フィルター演算に使うか、又は演
算後のオフセット０（Ｏｘ、Ｏｙ）に−律にベースライ
ン分を加えるかすれば、重ね合わせの位置座標に変換で
きる。

このようなオフ・アクシス方式のＦ、１．Ａ系を用いて
、Ｅ、　Ｇ、　Ａ法のためのサンプル・アライメントを
行うことは何ら問題では無いが、ウェハ上の全チップパ
ターンの座標位置を計測するとなると、スルーブツト上
極めて不利になるといった問題がある。そこでウェハＷ
Ａ上の全チップについて実測座標値（（１；ｎ）を求め
ることなく、間引きを行ってサンプル・アライメントす
る。例えば、露光動作の前に、ウェハ上のチップ配列の
うちＸ方向、Ｘ方向の夫々について２つおきにＦ、　　
Ｉ。

Ａ系を使って、チップパターンの実測座標値（Ｇｎ）を
求める。そしてその結果から３つ以上のチップパターン
の座標値を使ってＥ、　　Ｇ、　Ａ法の誤差パラメータ
（Ｒ、Ｏ）を算出し、予測座標値（Ｆｎ）が求められる
ようにしておく。

露光動作の時、露光しようとするチップパターンが予め
サンプル・アライメントされたものであれば、その実測
座標値（Ｇｎ）と予測座標値（Ｆｎ）とを使って推定座
標値（Ｔｎ）を求める。また露光すべきチップパターン
が予めサンプル・アライメントされていないときは、Ｘ
方向、Ｘ方向、又は斜め方向のいずれかに隣接したチッ
プパターンの実測座標値と、露光すべきチップパターン
の予測座標値とを使って推定座標値を求めることができ
る。

以上のように間引きを行えば、ウェハ上のチップ数の約
１／９のみを露光動作前にサンプル・アライメントすれ
ばよく、スルーブツト低下が小さく抑えられる。尚、間
引きの方法は、チップ配列のＸ、Ｘ方向の夫々に１つお
きであってもよく、又、Ｘ方向とＸ方向とで間引き数を
変えてもよい。

一方、ＴＴＲアライメント系については各種の方式が提
案され、実用化されているが、より高分解能（ｎｍオー
ダ）な位置ずれ検出が可能であるとして、干渉アライメ
ント方式が注目されている。

干渉アライメント方式とは、例えば特開昭６３−２８３
１２９号公報に開示されているように、ウェハ上のチッ
プパターンの夫々に、ピッチ方向に計測される回折格子
を設け、レチクルの対応する位置にも同様の回折格子を
設け、これら２つの回折格子の夫々に、２方向から周波
数の異なる可干渉性のビームを所定の交差角になるよう
に照射し、レチクルの回折格子から反射した回折光同志
の干渉ビート光と、ウェハの回折格子から反射して投影
レンズ、レチクルの透明部を介して戻ってくる回折光同
志の干渉ビート光との相対位相差を、レチクルとウェハ
（チップパターン）との位置ずれとして検出する方式（
ヘテロゲイン方式）である。この場合、相対位相差の±
１８０°は、格子ピッチの±１／４に相当し、ウェハ格
子のピッチを４μｍ　　（２μｍのライン・アンド・ス
ペース）、位相検出分解能を１０とすると、回折格子の
位置ずれ検出分解能は４Ｘ１／４Ｘ１／１８０ζ５゜５
ｎｍとなる。このようなＴＴＲアライメント系を用いる
と、ウェハ上のチップパターンの夫々に付随したマーク
（回折格子）の各実測座標値（Ｇｎ）は、レチクル上の
マーク（回折格子）を基準として直接計測されることに
なる。しかもレチクル上のマークとウェハのチップパタ
ーンのマークとを、スクライブライン相当領域に形成し
ておけば、アライメント位置と露光位置とを完全に一致
させたＤ／Ｄ、Ａ法が実現できるため、先に説明したサ
イト・パイ・サイト法と異なり、基準マーク板ＦＭを使
ったベースライン量の計測、管理は不要になる。

このＴＴＲアライメント系を使う時は、レチクルの位置
決めのうち、特にローテーションについては精密に零に
追い込んでおく必要がある。

そして、そのレチクルのマークを基準に、ウェハ上のい
くつかのチップパターンについてサンプル・アライメン
トを行う。この時、通常のウェハ・グローバル・アライ
メントが完了しているものとすると、ウェハ上のサンプ
ル・アライメントすべきチップは、ステージ３と干渉計
９．ｌＯの読み値によって、±１μｍ以下の精度でレチ
クルパターンの投影点に位置決めされる。そしてステー
ジ３が停止している間に、ＴＴＲアライメント系によっ
てウェハ格子のレチクル格子に対するずれ量を相対位相
差から求め、そのずれ量とステージ３の停止現在位置と
によって、そのチップの実測座標値を算出する。数チッ
プについてのサンプル・アライメントが終わったら、Ｅ
、　Ｇ、　Ａ法の演算式によって誤差パラメータ（Ｒ，
Ｏ）を算出した後、Ｄ／Ｄ、Ａ法による露光シーケンス
に入る。

その後のシーケンスは先の実施例と同様に、各チップパ
ターン毎に格子マークの実測座標値（Ｇｎ）を求め、位
置推定フィルターを通して推定座標値（Ｔｎ）を求めれ
ばよい。このように、ＴＴＲアライメント系を用いたＤ
／Ｄ、Ａ法においては、その計測値のままではランダム
な計測誤差が発生しやすく、ウェハ上のチップ毎にラン
ダムな重ね合わせ誤差が発生しやすかった。しかしなが
ら、最小二乗推定法則を応用して作った位置推定フィル
ターに実測値を通すことによって、ランダム成分が平滑
化され、ウェハ上の全チップでランダムな重ね合わせ誤
差が低減するといった効果が得られる。

以上、本発明の実施例では、ランダムな配列誤差の標準
偏差σ５と、ランダムな計測誤差の標準偏差σｗとの両
方を予め求めておく必要がある。

ランダムな配列誤差については、先に３つの条件Ａ、Ｂ
、Ｃに分けて考えるとした。そこでこれら３つの条件Ａ
、　Ｂ、　Ｃに基づいた偏差σ工の求め方を簡単に説明
する。

条件Ａは、ウェハ上のチップパターンが１層目のときで
あり、１層目（ファースト・プリント）におけるランダ
ムな配列誤差の要因は、ステージ３の位置決め特性だけ
である。また条件Ｂは、ウェハ上のチップパターンが２
層目以降の層であって、かつその層がＥ、Ｇ、Ａ法で露
光された場合であり、そのときのランダムな配列誤差の
要因も、ステージ３の位置決め特性である。そこで、ス
テージ単独の位置決め特性を別途調べておく必要がある
。ステージの位置決め特性は、例えばバーニアマークを
有するテストレチクルを使ってステッピング露光したウ
ェハを現像した後、専用の測定器でバーニアマークのレ
ジスト像のずれを計測する方法、あるいはステッパーの
アライメントセンサーでバーニアマークのレジスト像の
ずれを自動計測する方法（セルフチエツク）等で調べら
れる。

ステッパーによるセルフ・チエツク方式としては、例え
ば特開昭６２−３２６１４号公報に開示されたステッピ
ング精度の測定方法がそのまま使える。

その測定方法は、テストレチクルに形成されたマークを
設計座標値に従って一定ピッチでステップアンドリピー
ト方式によりファースト露光した後、ウェハをそのまま
にして、設計座標値に一定のオフセット量を加えた値で
再度重ね焼き（二重露光）を行ってから現像を行う。そ
して各チップパターンの領域内に、一定量だけずれて形
成された２つのマークレジスト像の相対位置ずれを、ス
チツパ−のアライメント・センサーで検出し、その計測
値と設計上のオフセット量とを比較して、そのチップ位
置でのステッピング精度を調べるものである。この方法
は簡単にステッピング精度（ステージの位置決め特性）
が求められるので、極めて便利であるが、アライメント
・センサーの高い計測再現性と高い分解能が要求される
。そこでテストレチクル上に干渉アライメント方式で計
測されるＸ方向用とＸ方向用の回折格子マークを設けて
おき、このマークをウェハ上のチップパターン領域内で
一定量だけ、例えば格子ピッチ方向と直交する方向には
格子マークの幅量上、格子ピッチ方向にはピッチの整数
倍だけオフセットさせて二重露光する。

こうして、１枚のウェハに対してステップアンドリピー
ト方式で二重露光して現像すると、１つのチップパター
ン領域内には第１１図に示すような格子マーク群がレジ
スト像として形成されるっ第１１図において、１回目の
露光ではＸ方向に計測される格子マークＧＲｘと、ｙ方
向に計測される格子マークＧＲＹとが形成される。２回
目の露光の前に、ウェハステージ３を斜め４５°方向に
一定量ずらす。ここで格子マークＧＲｘ、ＧＲｙの各中
心線の交点をＰｅ、格子ピッチをＰｇとすると、ステー
ジ３のずらし量は、Ｘ方向とｙ方向の夫々にＮ−Ｐｇ（
Ｎは整数）に定められ、交点Ｐｅは交点Ｐｅ’　に移動
する。そして２回目の露光を行って、レチクル上の同一
の格子マークをＧＲｘ’　、ＧＲｙ’　としてウェハ上
に形成する。現像が終わったら、そのウェハを再びステ
ッパーのステージ３上に載置し、グローバルアライメン
トを行ってから、干渉式アライメント・センサーで格子
マークＧＲｘとＧＲｘ’　とのＸ方向の相対位置ずれと
、格子マークＧＲｙとＧＲＹ’　とのｙ方向の相対位置
ずれとを計測する。

一般的に、この種のステッパーに使われるステージのス
テッピング精度は０．５μｍ以下と、極めて小さくなっ
ている。そこで格子ピッチＰｇを、最大０．５μｍの位
置ずれが±１８０°　（ｌ／４ピツチ）に対応するよう
に、２μｍ　　（１μｍのライン・アンド・スペース）
に定めると、位相検出分解能が１であると、約２．８ｎ
ｍの計測分解能が得られる。

尚、１枚のウェハ上に並置された２つの格子マークの相
対位置ずれを干渉縞を用いたベテロダイン方式で計測す
る手法は、例えば特開昭６２−５６８１８号公報に開示
されたレジストレーション計測と同様に実施できる。

以上の方法によって、ステッパー側のアライメント・セ
ンサーで格子マーク同志の位置ずれを格子ピッチＰｇの
±１／４ピッチ以内で計測しては、ステッパーのメモリ
に記憶しておき、ウェハ上の様々な位置における計測値
からランダムな配列誤差に関する標準偏差（σｕ１．σ
ｕ、）を求めればよい。

さらに条件Ｃは、ウェハ上のチップパターンが２層目以
降の層であって、かつその層がＥ、　　Ｓ。

Ａ法（Ｄ／Ｄ、Ａ法又はサイト・パイ・サイト・アライ
メント法あるいは位置推定フィルターを通したアライメ
ント法）で露光されていた場合である。この場合は、パ
イロットウェハに対して、重ね合わせ露光すべきレチク
ルのパターンをＥ、　Ｇ。

Ａ法によって露光する。この際、パイロットウェハの各
チップパターン内にはレジストレーション計測用の専用
マーク（例えば第１１図の格子マーク等）を予め形成し
ておき、重ね合わせ露光すべきレチクルには、その専用
マークに隣接して同一形状の専用マークが露光されるよ
うにレチクルパターンを形成してお（。

そして、使用するステッパーのアライメント・センサー
で数チップのアライメントマーク（Ｍｘ。

Ｍｙ）を計測してＥ、Ｇ、Ａ法の露光を行う。その後、
現像したウェハ上に形成された１対の専用マークの位置
ずれを別の測定器、又はステッパーのアライメント・セ
ンサーで計測する。この計測値は、各チップパターン毎
のトータルな重ね合わせ誤差であり、その誤差量からス
テージ３の位置決め特性（ステッピング誤差）分を差し
引いたものが、ウェハ上のチップパターンの配列誤差分
になる。従って、同様にしてランダムな配列誤差の標準
偏差（σｕ８．σｗ、）が算出できる。

一方、ランダムな計測誤差の標準偏差σｗについては、
次の２つの方法で求めることができる。

第１の方法はパイロットウェハに対して、Ｅ、　Ｓ。

Ａ法でレチクルのパターンを重ね合わせ露光を行い、現
像後のウェハの各チップパターンのレジストレーション
を計測して、重ね合わせ誤差を求める。そして予め求め
ておいたステージの位置決め特性分を、その重ね合わせ
誤差分から差し引いて、各チップパターン毎の計測誤差
を求める方法である。ただし、Ｅ、Ｓ、Ａ法のうちサイ
ト・パイ・サイト方式によって重ね合わせ露光した時は
上述の方法でランダムな計測誤差が分かるが、露光位置
とアライメント位置とが一致したＤ／Ｄ、Ａ法によって
重ね合わせ露光した時は、レジストレーション計測の結
果が、そのまま計測誤差に相当する。

第２の方法は、ランダムな配列誤差の標準偏差σｗが既
知の場合に実施できるものであり、この方法では試し焼
きやパイロットウェハの使用が不要である。まず重ね合
わせ露光しようとするウェハをＥ、　Ｇ、　Ａ法によっ
て指定された数チップをサンプル・アライメントし、計
測したチップの実測座標値（Ｇｎ）を記憶するとともに
、線形誤差パラメータ（Ｒ、Ｏ）を算出して、計測した
チップの予測座標値（Ｆｎ）を算出する。そして、実測
座標値（Ｇｎ）と予測座標値（Ｆ　ｎ）との誤差分の分
散σ１．′を求め、さらに分散σ１．′と配列誤差の分
散σｕ２との差分を求めれば、それがランダムな計測誤
差の分散σｗ′に相当する。

従って、配列誤差の偏差σ工が予め求まっている場合は
、実際に露光しようとするウェハ上のチップパターンの
いくつかをアライメント・センサーで計測するだけで、
後は演算のみで偏差σｗを求めることができる。

例えば、同種のステッパー複数台で製造ラインを作った
場合、まず初めに各ステッパーのステージの固有の位置
決め特性（ステッピング精度）を求め、その誤差の標準
偏差をσｗとじて記憶させる。

このとき複数台のステッパーを統括管理するメイン・コ
ンピュータがあるときは、そこにも各ステッパー固有の
偏差σ工を記憶させる。これはウェハ上の層毎にステッ
パーを替えて露光することがあるからであり、例えばス
テッパーＡがステッパーＢで露光されたウェハに対して
重ね焼きする場合、メイン・コンピュータはステッパー
Ｂの偏差σｗの情報をステッパーＡに送る。このように
しておくと、第一層目のウェハやＥ、　Ｇ、　Ａ法で焼
かれたウェハに対しては実ウェハの処理にあたって、ラ
インを組む全てのステッパーがサンプル・アライメント
を行うのみでランダムな計測誤差の標準偏差σｗを求め
ることができる。また、位置推定フィルターを使って焼
かれたウェハにおいては、ショット位置の分散はσｗ′
＋α２になる。この分散σ１！＋α２は、σｗが上述の
ように予め求まっていればサンプル・アライメントのみ
で計算が可能であり、その計算結果を重ね合わせ露光す
るステッパーにランダムな配列誤差データとして送るよ
うにしておけば、位置推定フィルターを通して焼かれた
ウェハに対しても同様の効果をもった平滑化Ｄ／Ｄ、　
Ａ　（又は平滑化ＥＳＡ）による重ね焼きが実行できる
。

ここで分散α２は、ウェハを位置推定フィルターを通し
て焼いていくときの推定座標値（Ｔｎ）を順次メモリし
、その値がＥ、　Ｇ、　Ａ法で算出される予測座標値（
Ｆｎ）に対してどれだけの分散（α２）をもつかを同時
に計算することで求めることができる。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明によれば、チップパターンの設計座標
に対して有するランダムな位置誤差成分や、チップパタ
ーンの位置計測時に含まれるランダムな計測誤差成分に
よる影響を最小限に抑え、精度の高い位置合わせが可能
になり、半導体素子の生産性を向上させることができる
。

また、チップパターンのランダムな位置誤差の偏差値（
σｗ、、σｕ、）やチップ計測時に含まれるランダムな
計測誤差の偏差値（σ１．．σｗ、）を与える方法とし
ては、ステッパー等の露光装置で処理したウェハの重ね
合わせ状態を専用の測定器で測定し、統計処理を施した
データをステッパーにオンラインで与えることで効率的
に位置推定フィルターを最適化することが可能である。

尚、本発明は縮小投影型の露光装置に隔らず、等倍の投
影型ステッパーや、プロジェクションタイプのステッパ
ー、プロキシミテイタイプのステッパー、フォトマスク
検査装置等にも広く応用できるものである。

さらに本発明は、レチクルやマスク等を使わない、レー
ザリペア装置のウェハアライメントとしても好適である
。リペア装置は、ウエノ１上の各チップ内に形成された
ｌ〜数μｍ程度の幅のフユーズを加工用レーザスポット
で照射することで溶断するものであり、ウェハ上に同様
のマークが残されていれば、グローバルアライメント、
Ｅ、Ｇ、Ａ法、Ｅ、　　Ｓ、　Ａ法（この場合、サイト
・パイ・サイト方式のみ）及び平滑化ＥＳＡ法がそのま
ま実行できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による位置合わせ方法の手順を
示すフローチャート図、第２図は本発明の実施例による
方法を実施するのに好適なステッパーの構成を示す斜視
図、第３図は第２図の装置のその他の構成を示す図、第
４図は投影レンズの像面における各種アライメント系の
配置を示す平面図、第５図はウェハのグローバルアライ
メントの様子を示す平面図、第６図はランダムなチップ
配列誤差の様子を示す平面図、第７図は第２図の装置に
おけるマーク検出の様子と、検出された信号波形の一例
とを示す図、第８図は第２図の装置に組み込まれ、第１
図のフローチャートのアルゴリズムをハードウェア化し
て表したブロック図、第９図は従来の方法による位置合
わせ精度と、本実施例の位置推定フィルターを用いた方
法による位置合わせ精度とを比較するグラフ、第１０図
はアライメント・チップの選択と露光シーケンスとの他
の組合せを説明するためのチップ配列を示す平面図、第
１１図はステッピング精度、重ね合わせ精度等を計測す
るのに好適な回折格子マークの配列を示す平面図、第１
２図は従来より知られているアライメント・露光シーケ
ンスを示すチップ配列の平面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ＷＡ・・・ウェハ、Ｍｘ、Ｍｙ・・・マーク、ＬＢ・・
・レーザビーム、ＬＸＳ、ＬＹＳ、ＹＳＰ、　　θＳＰ
・・・スポット光、Ｃｐ・・・チップパターン、Ｒ・・
・レチクル、ｌ・・・投影レンズ、３・・・ウェハステ
ージ、９．ＩＯ・・・レーザ干渉計、２０．２１・・・
ウェハグローバルアライメント系、５０・・・主制御装
置、２０３・・・誤差パラメータ決定部、２０４・・・
ＥＧＡ演算部、２０６・・・ステージ・コントローラ、
２０７・・・位置推定フィルター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）設計上の配列座標に従ってほぼ規則的に整列した
   複数のチップパターンと、該チップパターンの夫々に付
   随した位置合わせ用のマークとが形成された基板を２次
   元に移動させて、前記複数のチップパターンの夫々を所
   定の基準位置に対して順次位置合わせする方法において
   、 （Ａ）前記基板上のいくつかの前記チップパターンの座
   標位置を計測し、該計測座標と設計上の位置座標とに基
   づいて、前記基板上のチップパターンの実際の配列座標
   系が設計上の配列座標系に対して有する誤差パラメータ
   を作成する工程と；（Ｂ）前記基板上のチップパターン
   の配列座標が前記設計上の配列座標に対して有するラン
   ダムな位置誤差に関連した第１の統計量と、前記チップ
   パターンのマークの位置計測時に計測結果に含まれるラ
   ンダムな計測結果に関連した第２の統計量とを入力する
   工程と； （Ｃ）前記誤差パラメータ、前記第１統計量、及び前記
   第２統計量を用いて、前記チップパターンの推定される
   座標値を出力するための位置推定フィルターを、最小二
   乗推定法則にもとつづいて作成する工程と； （Ｄ）該位置推定フィルターが決定された後、前記チッ
   プパターンのマークを検出して得られた実測座標値を前
   記位置推定フィルターに入力し、該フィルターから出力
   される当該チップパターンの前記推定座標値に基づいて
   、前記基板を位置決めする工程とを含むことを特徴とす
   る位置合わせ方法。
2. （２）設計上の配列座標に従ってほぼ規則的に整列した
   複数のチップパターンと、該チップパターンの夫々に付
   随した位置合わせ用のマークとが形成された基板を２次
   元に移動させて、前記チップパターンの夫々を所定の基
   準位置に対して順次位置合わせする方法において、 （Ａ）前記基板上のチップパターンの設計上の配列座標
   に対する実配列座標のランダムな位置誤差に関する第１
   統計量（σ＿ｕ）と、 前記チップパターンのマーク位置を位置検出手段によっ
   て計測した時に計測結果に含まれるランダムな計測誤差
   に関する第２統計量（σ＿ｗ）とを予め求めて記憶する
   工程と； （Ｂ）前記基板上の少なくとも３つのチップパターンの
   夫々のマーク位置を前記位置検出手段によって計測した
   結果に基づいて、前記基板上のｎ番目のチップパターン
   の予測座標値（Ｆｎ）を設計座標値（Ｄｎ）から算出す
   るためのパラメータ（Ｒ、Ｏ）を決定する工程と； （Ｃ）前記第１統計量（σ＿ｕ）が前記第２統計量（σ
   ＿ｗ）に対して相対的に大きくなるときは大きな値を取
   り、前記第１統計量（σ＿ｕ）が前記第２統計量（σ＿
   ｗ）に対して相対的に小さくなるときは小さな値を取る
   重み係数（Ｑ）を決定する工程と； （Ｄ）前記位置検出手段で計測されるマーク位置の実測
   座標値（Ｇｎ）と前記予測座標値（Ｆｎ）とに差が生じ
   たときは、前記実測座標値（Ｇｎ）と前記予測座標値（
   Ｆｎ）との間の前記重み係数（Ｑ）に応じた値を推定座
   標値（Ｔｎ）として算出する工程と； （Ｅ）前記基板上のチップパターンのマーク位置を前記
   位置検出手段で計測した後、前記実測座標値（Ｇｎ）、
   前記予測座標値（Ｆｎ）、及び前記推定座標値（Ｔｎ）
   のうちのいずれか１つの座標値に基づいて前記基板を位
   置決めする工程とを含むことを特徴とする位置合わせ方
   法。
3. （３）設計上の配列座標値（Ｄｎ）に従ってほぼ規則的
   に整列した複数のチップパターンと、該チップパターン
   の夫々に付随した位置合わせ用のマークとが形成された
   基板を２次元に移動するステージと、該ステージの座標
   位置を計測する座標計測手段と、前記基板上のマークを
   検出して、所定の基準点に対する前記チップパターンの
   相対位置を前記座標計測手段と協同して検出する位置検
   出手段とを有し、該位置検出手段の検出結果に基づいて
   前記チップパターンの夫々を前記基準点に対して順次位
   置合わせする装置において、 前記基板上のチップパターンのランダムな配列誤差に関
   する標準偏差（σ＿ｕ）と、前記位置検出手段による計
   測結果に含まれるランダムな計測誤差に関する標準偏差
   （σ＿ｗ）とに基づいて、Ｑ＝σ＿ｕ＾２／（σ＿ｕ＾
   ２＋σ＿ｗ＾２）の関係で規定される係数（Ｑ）を記憶
   する記憶手段と； 前記位置検出手段によって検出された前記基板上のいく
   つかのチップパターンの実測位置から決定される線形誤
   差パラメータ（Ｒ、Ｏ）と、前記設計座標値（Ｄｎ）と
   に基づいて、 Ｆｎ＝Ｒ・Ｄｎ＋Ｏ の関係で規定される前記チップパターンの夫々の予測座
   標値（Ｆｎ）を算出する第１演算手段と；前記位置検出
   手段によって検出された前記チップパターンの実測座標
   値（Ｇｎ）、前記予測座標値（Ｆｎ）、及び前記係数（
   Ｑ）とに基づいて、Ｔｎ＝Ｆｎ＋Ｑ・（Ｇｎ−Ｆｎ） の関係で規定される前記チップパターンの夫々の推定座
   標値（Ｔｎ）を算出する第２演算手段と；前記座標計測
   手段の計測座標が前記推定座標値（Ｔｎ）と常に一義的
   な関係になるように、前記ステージの位置決めを制御す
   る制御手段とを備えたことを特徴とする位置合わせ装置
   。