JPH08297014A

JPH08297014A - 位置計測方法

Info

Publication number: JPH08297014A
Application number: JP7103889A
Authority: JP
Inventors: Kensho Tokuda; 憲昭徳田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 1996-11-12
Also published as: KR960038502A

Abstract

(57)【要約】【目的】位置計測系の較正誤差を除去し測定精度を高
める。【構成】被計測指標（ＲＭ、ＷＭ）を固定した上で、
基準指標（ＦＭ）を移動し、レーザ干渉計（ＬＩ）によ
り確定される基準座標系の各地点で被計測指標の座標を
計測することにより、その位置計測系に固有であり、か
つ基準座標系における基準指標の座標に依存するオフセ
ット誤差を較正誤差情報として求める。そして、実際の
測定時には、その較正誤差情報を勘案し、位置計測の結
果からオフセット誤差分（Ｅｒ）を補正したり、あるい
は、オフセット誤差分が無視できる範囲（Ｘ₂、Ｘ₃）で
位置計測を行うので、ナノメートルオーダの精度が要求
される場合にも適用可能な高精度の位置計測が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子等を
製造する際に使用される投影露光装置においてマスク
（以下、レチクルと称する。）とウェハ等の位置合わせ
をナノメートルオーダの精度で行うアライメント系の位
置計測方法に係り、特に、光学像を画像処理することに
より基準指標と被計測指標との相対的位置関係を計測す
る方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示素子等をフォトリ
ソグラフィ技術を用いて製造する際に、従来より、レチ
クルのパターンを投影光学系を介してウェハ上に転写す
る投影露光装置が使用されている。かかる投影露光装置
では、一般に複数の異なったレチクル上に描かれた素子
パターンをウェハ上に順次露光して行く必要があるた
め、レチクルのウェハステージ座標系に対する位置関係
を精度良く求め、レチクルとウェハとのアライメントを
正確に行う必要がある。特に近年では、半導体素子の微
細化にともない、その要求精度はますます高まる傾向に
あり、最先端の半導体素子の製造装置にあっては、ナノ
メートルオーダの精度のレチクル位置計測及びその座標
管理が要求されるようになっている。

【０００３】従来より用いられているレチクルとウェハ
とのアライメント方式としては、大きく分類してオフア
クシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）方式と、オンアクシス（ｏ
ｎ−ａｘｉｓ）方式がある。典型的なオフアクシス方式
では投影光学系の外部にあるアライメント用光学系を介
して、ウェハＷ上のアライメントマーク（以下、ウェハ
マークと称する。）ＷＭを使い、ウェハＷを、レチクル
Ｒ上のアライメントマーク（以下、レチクルマークと称
する。）ＲＭを利用して基準指標板ＦＭＢ上のアライメ
ントマーク（以下、指標マークと称する。）ＦＭに対し
て位置が求められているレチクルＲに対して、位置合わ
せを行う方式であり、高速な位置合わせが可能であると
いう特徴を有している。これに対して、オンアクシス方
式は投影光学系を介してウェハマークＷＭを検出してレ
チクルマークＲＭとの位置合わせをダイレクトに行う方
式であり、ショット領域ごとに高精度の位置合わせがで
きるという特徴を有している。なお、上記各方式におい
て、ウェハマークＷＭとレチクルマークＲＭ又は指標マ
ークＦＭとを同一光源で照明する方法、それぞれ別光源
で照明する方法が知られている。さらに別光源で照明す
る場合には、両マークを同一の結像光路内に置く方法
と、別の結像光路内に置く方法が知られている。

【０００４】次に図４を参照しながらマスク位置計測の
原理を簡単に説明する。図４は縮小投影型半導体露光装
置でのマスク位置計測時の状態を示したものであり、Ｒ
は露光すべき素子パターンが描かれたレチクル、ＰＬは
縮小投影レンズ、ＦＭＢは露光対象であるウェハＷが載
置される可動式のウェハステージＷＳ上に設けられた参
照用の基準指標板である。なお基準指標板ＦＭＢ上に
は、基準指標となる指標マークＦＭが付されており、レ
チクルＲ上にはレチクルマークＲＭが付されている。さ
らに、ウェハステージＷＳに隣接してレーザ干渉計ＬＩ
_Xが設置されており、ウェハステージＷＳ上に載置され
たミラーＭ_Xに対してレーザ光を照射し、その反射光よ
りウェハステージＷＳの座標を高精度に計測することが
可能である。またレチクルＲの上方にはミラー１３と対
物レンズ等からなる結像光学系１４を介して画像センサ
１５（例えば、ＣＣＤカメラなどの撮像素子）が設置さ
れている。さらに、画像センサ１５にはＣＲＴなどの画
像表示装置１６が接続されており、撮像された像を表示
することができる。

【０００５】上記の如く構成された装置において、画像
処理により、指標マークＦＭを基準としてレチクルＲの
位置を求めるためには以下のような方法が取られる。ま
ず適当な光学的手法により基準指標板ＦＭＢ上の指標マ
ークＦＭの像と、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭの
像を画像センサ１５上に結像させる。次に基準指標板Ｆ
ＭＢ上の指標マークＦＭの像と、レチクルＲ上のレチク
ルマークＲＭの像との間の距離を画像処理により求め
る。そして、レチクルＲのウェハステージＷＳ上での座
標（例えば、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭによっ
て代表される座標）は、先に求めた指標マークＦＭとレ
チクルマークＲＭの画像センサ１５上での距離を、投影
光学系ＰＬ、結像光学系１４の結像倍率を乗じた上で、
その時のウェハステージＷＳのレーザ干渉計ＬＩ_Xの読
み値に加算することにより求めることができる。

【０００６】次に、指標基板ＦＭＢ上の指標マークＦＭ
とレチクルＲ上のレチクルマークＲＭの像の光学的な対
応づけの方法を説明する。指標基準板ＦＭＢは透明なガ
ラス板でできており、その上面にクロム等の薄膜のスリ
ットパターンを形成して指標マークＦＭとしている。指
標基準板ＦＭＢは、光源１０より光ファイバ１１を介し
て送られる露光光と同じ波長の照明光により照明されて
おり、その光束１２は指標基準板ＦＭＢ上に設けられた
スリット状の指標マークＦＭを抜け、縮小投影レンズＰ
Ｌを通してレチクルＲを下面から照明している。この照
明光束１２は、さらにミラー１３と結像光学系１４を介
して画像センサ１５に導かれている。この場合基準指標
板ＦＭＢの上面、レチクルＲの下面、画像センサ１５の
受光面の３つは光学的にほぼ共役な関係に置かれてお
り、基準指標板ＦＭＢ上のスリット状の指標マークＦＭ
とレチクルＲ上の対応するスリット状のレチクルマーク
ＲＭはいずれも画像センサ１５上に結像されている。

【０００７】図１０は、図４の画像センサ１５（ここで
は、ＣＣＤカメラとする。）により撮像された基準指標
板ＦＭＢ側のスリット状の指標マークＦＭ₁、ＦＭ₂とレ
チクルＲ側のレチクルマークＲＭの像のＣＲＴ１６の画
面上での見え方の一例を示したものであり、白抜きの部
分が光っている。このような像は、図９（Ａ）に示すよ
うな２つのスリット状マークを基準指標板ＦＭＢ側に配
置し、また図９（Ｂ）に示すようなスリット状マークと
レチクルＲ側に配置することにより得ることができる。
なお図９において、斜線を施した部分は、例えばクロム
が蒸着されており遮光部として機能し、それ以外の白抜
きの部分はガラスであり光を透過する窓として機能す
る。

【０００８】さて図１１は、図１０に示すＣＲＴ画面上
で、計測対象であるスリットマークＦＭとＲＭが存在し
ているある特定の走査線の信号、もしくは複数の走査線
の平均信号を、信号レベルを縦軸に、走査線方向すなわ
ち時間を横軸にとって模式化したものであり、Ｈで示し
た信号レベルが発光部での信号レベル、Ｌで示した信号
レベルがクロム等の遮光部分の非発光部でのバックグラ
ウンド（背景）の暗レベルをおおよそ示している。この
図１１の信号波形を画像処理して、基準指標板ＦＭＢ上
のスリットマークの像ＦＭと、レチクルＲ上のスリット
マークの像ＲＭの相対的位置関係を計算するには様々な
方法がある。例えば信号波形をあるしきい値Ｔでスライ
スしてＦＭＣとＲＭＣを求め、その各々の交点の横軸に
対する平均値で各マークの像を代表させて交点間の距離
を求めることも可能である。また各々の波形信号を時間
積分して、各像の幾何学的重心を求め、その重心で各マ
ークの像を代表させて距離を求めることも可能である。
さらには各々の像の形状を模したテンプレートを予め用
意して信号波形とテンプレートの重なりを取って最もマ
ッチングする位置を計算して求めることも可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来のアライメント方法においては、指標マークＦＭ
などの基準指標が移動可能な基準座標系とレチクルマー
クＲＭなどの被計測指標が移動可能な被計測座標系とを
設定し、画像処理系において両座標系の原点及びディメ
ンションを整合させることにより両座標系を画像座標系
内で統合し、指標マークＦＭに対するレチクルマークＲ
Ｍの相対的位置関係を推定している。なお、基準座標系
及び被計測座標系における各アライメントマークの位置
については、各座標系に設置された位置計測器、例えば
レーザ干渉計により求めている。

【００１０】しかしながら、上記アライメント方法にお
いて実際に用いられる系は完全なものではない。例え
ば、結像光学系には、ディストーション、コマといった
種々の収差やイメージセンサの歪みなどが生じ得るし、
照明光学系には、照明ムラなどが生じ得る。さらにレー
ザ干渉計系自体にも固有のオフセット誤差があり、さら
に計測対象であるアライメントマーク間の干渉といった
誤差要因も存在する。そして、本願発明者の知見によれ
ば、位置計測時に各マーク間の相対的位置関係が変化す
ると、上記誤差要因が複合的に作用して、その位置に依
存するオフセット誤差が存在することが明らかとなっ
た。

【００１１】すなわち、被計測指標であるレチクルマー
クＲＭの位置を固定して、基準指標板ＦＭＢをレーザ干
渉計ＬＩの測定値を基準として、基準座標系内を移動さ
せて各ポイントにおいてレチクルマークＲＭの指標マー
クＦＭに対する相対的位置関係を画像座標系内において
求めたとする。ここで、上記位置計測系が完全なもので
あれば、基準座標系内の各計測ポイントにおける指標マ
ークの位置に対して上記相対的位置関係を演算して得ら
れたレチクルマークＲＭの基準座標系内における位置
は、レチクルマークＲＭの位置は固定されているのであ
るから、全ての計測ポイントにおいて一致するはずであ
る。

【００１２】ところが、図１２に示すように、レーザ干
渉計によって実測した基準座標系内の指標マークＦＭの
Ｘ座標を横軸に、画像処理により求めた相対的位置関係
から推定した画像座標系内のＸ座標を縦軸に取って、各
指標マークＦＭ位置におけるレチクルマークＲＭのＸ座
標をプロットしてみると、当初より固定されているため
指標マークＦＭの位置にかかわず一定値となり横軸に平
行な直線となるはずのレチクルマークＲＭのＸ座標は、
図示のように蛇行し指標マークの位置に応じてバラつい
てしまう。そしてバラつきの程度Ｅｒは、光学系の特性
や画像処理方式や処理パラメータによっても変動する
が、大きな場合では、指標マークＦＭの位置がわずか１
μｍ異なるだけで数十ｎｍにも達することもある。これ
は投影露光装置に求められている精度の比較して無視で
きない値であるにもかかわらず、従来の位置計測方法で
は、この誤差Ｅｒはオフセット誤差として計測結果に残
ってしまうため問題となっていた。

【００１３】さらに鋭意努力の結果、本発明者は、上記
基準座標系内の指標マークＦＭの位置に応じた上記オフ
セット誤差は、投影露光装置の個体差、画像処理方法や
処理パラメータの相違などの各処理環境に対応して一義
的に決定され、基準指標の位置に依存する固有誤差であ
ること、あるいはその主要成分として固有誤差を含むこ
とを知見するに至っている。

【００１４】従って、本発明は、かかる技術的立脚点に
鑑みて成されたものであり、画像処理を用いた位置計測
に伴う上述のオフセット誤差を較正誤差として補正し、
より精度の高い位置計測及び座標管理を可能とする新規
かつ改良された位置計測方法を提供することを目的とし
ている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、光学系（例え
ば、投影露光系やアライメント用対物光学系）を介して
相対移動可能な、被計測指標（例えば、レチクルマーク
ＲＭ、ウェハマークＷＭ）が付された被計測物体（例え
ば、レチクルＲ、ウェハＷ）と基準指標（例えば、指標
マークＦＭ）が付された基準物体（例えば、基準指標板
ＦＭＢ）と、その被計測物体及び前記基準物体を撮像す
る撮像素子（例えば、ＣＣＤカメラ１５）と、その撮像
素子により得られた画像情報を処理する画像処理装置
（例えば、演算処理装置１７、メモリ１８）とを備えた
位置計測系を用いて、撮像素子に撮像された、基準物体
の基準指標の像に対する被計測物体の被計測指標の像の
相対的位置を計測する方法に適用される。

【００１６】そして、上記課題を解決するために、本発
明の第１の観点によれば、まず、被計測指標の位置と基
準指標の位置を相対移動し、各移動位置において、基準
指標の像に対する被計測指標の像の相対的位置を計測す
ることにより、その相対的位置のずれと基準指標の位置
との関係を、位置計測系に固有の較正誤差情報として予
め求める。そして、実際に、基準指標の像に対する被計
測指標の像の相対的位置を計測する際には、計測した相
対的位置に対して、予め求めた較正誤差情報に基づい
て、基準指標の位置に応じた補正を加えるように構成し
ている。

【００１７】また、上記課題を解決するために、本発明
の第２の観点によれば、上記第１の観点と同様に、ま
ず、位置計測系に固有の較正誤差情報を予め求め、さら
に、その較正誤差情報に基づいて、その位置計測系に要
求される位置計測精度に実質的に影響を与えない程度の
相対的位置のずれが生じる基準指標の位置範囲を許容測
定位置範囲として予め設定しておく。そして、実際に位
置計測を行う場合には、まず、その許容測定位置範囲内
に基準指標の位置を位置合わせした後に、基準指標の像
に対する被計測指標の像の相対的位置を計測するように
構成している。

【００１８】

【作用】本発明によれば、まず全ての位置計測の基準と
なる基準指標に関する較正誤差情報を得るために、通常
の動作とは逆に、被計測指標を固定し基準指標を移動し
ながら、各移動位置において被計測指標の位置を画像処
理装置内において求める。そして、被計測指標の位置の
ずれを、例えばレーザ干渉計により測定された基準指標
の位置に依存する較正誤差情報として求める。

【００１９】そして、本発明の第１の観点によれば、上
記のようにして求められた基準指標の各位置に対応する
誤差を、例えば較正テーブルとして格納しておき、実際
の位置計測にあたっては、その位置に対応する誤差を読
み出し、その誤差分を基準指標と被計測指標との相対的
位置を判断する際に補正するので、位置計測系に固有の
オフセット誤差のない高精度の位置測定を行うことがで
きる。

【００２０】また、本発明の第２の観点によれば、上記
のようにして求められた基準指標の各位置に依存する較
正誤差情報から、位置計測に要求される精度に照らして
無視できる位置を許容測定位置範囲として予め求めてお
き、基準指標がその許容測定位置範囲内にある場合にの
み、位置測定を行うので、生じ得るオフセット誤差を無
視しても高精度の位置測定を行うことができる。

【００２１】

【実施例】以下に添付図面を参照しながら本発明の好適
な実施例について詳細に説明する。まず、図１を参照し
ながら、本発明の実施例が適用される投影露光装置の概
略的な構成について説明する。図中、Ｒは透明部と遮光
部による所定のパターンが描かれたレチクルであり、図
示しない照明光学系よりウェハＷのレジスト層を感光す
る照明光を均一の強度で照明することによって、図２に
示すレチクルＲのパターン領域Ｐｒの光像が、レチクル
Ｒの下方に配された縮小投影レンズＰＬによって感光材
（レジスト）が塗布されたウェハＷに結像露光される。
またレチクルＲのパターン領域Ｐｒ外には、アライメン
トマーク、すなわちレチクルマークＲＭが配されてい
る。このレチクルマークＲＭは透明ガラスに例えば一本
の細線状にクロムを蒸着することにより構成され、Ｘ方
向のアライメントを取る際に使用されるＲＭ_X1、ＲＭ_X2
とＹ方向のアライメントを取る際に使用されるＲＭ_Y1、
ＲＭ_Y2とから構成されている。そして、このレチクルＲ
は、レチクルステージＲＳに、例えば吸着手段ＲＳ_Vに
よりその周辺部が真空吸着されることにより固定されて
いる。そしてレチクルステージＲＳは駆動部ＰＳＤ_Xに
よりＸ方向に微動調整可能であり、駆動部ＰＳＤ_Yによ
りＸ方向に直角なＹ方向に対しても微動調整可能であ
り、レチクルＲの回転も含めた２次元的な位置合わせを
高精度に行うことができるように構成されている。また
投影光学系ＰＬは、露光光に対して良好に収差補正され
た片側又は両側テレセントリックな光学系であり、この
投影光学系ＰＬに対してレチクルＲとウェハＷ又は基準
指標板ＦＭＢは互いに共役な位置に配されていることは
言うまでもない。

【００２２】一方、ウェハＷは、ウェハステージＷＳ上
に、例えば真空吸着されることにより固定されている。
そして、ウェハステージＷＳは、駆動部ＷＳＤ_Xにより
Ｘ方向に微動調整可能なＸステージＷＳ_X、駆動部ＷＳ
Ｄ_YによりＹ方向に微動調整可能なＹステージＷＳ_Y、不
図示の駆動部によりＺ方向に上下動調整可能なＺステー
ジＷＳ_Z、及びこのＺステージＷＳ_Z上に設けられて、ウ
ェハＷを真空吸着するとともに駆動部ＷＳＤ_Rにより微
小回転するウェハホルダＷＳ_Vとによって３次元的な位
置合わせを行うことができる。さらにウェハステージＷ
ＳのウェハホルダＷＳ_V上には、例えば図３に示すよう
に、ガラスなどの透明部材にクロムなどの遮光部材が２
本の細線状にあるいはスリット状に蒸着されて指標マー
クＦＭ₁、ＦＭ₂を形成している基準指標板ＦＭＢが固定
されている。そして、ウェハステージＷＳに隣接して、
ウェハステージＷＳの位置を検出するためのレーザ光を
用いた光波干渉計（以下、レーザ干渉計と称する。）Ｌ
Ｉ_X、ＬＩ_Yが設けられている。またミラーＭ_Yは、その
反射平面をＹ方向に伸ばしてＺステージＷＳ_Zの一辺に
設けられている。またミラーＭ_Xは、その反射平面をＸ
方向に伸ばしてＺステージＷＳ_Zの一辺に設けられてい
る。そしてレーザ干渉計ＬＩ_Xは、ミラーＭ_Xに座標軸Ｘ
と平行な光軸を有するレーザ光束Ｂ_Xを照射するととも
に、レーザ干渉計ＬＩ_Xの内部に設けられた固定ミラー
にもレーザ光束を照射し、ミラーＭ_Xからの反射光束と
固定ミラーからの反射光束とを干渉させ、発生する干渉
縞の変化を光電検出することによって、ウェハステージ
ＷＳのＸ方向の位置を高精度に検出する。レーザ干渉計
ＬＩ_Yも同様にミラーＭ_Yに座標軸Ｙと平行な光軸を有す
るレーザ光束Ｂ_Yを照射し、内部の固定ミラーからの反
射光束とミラーＭＹからの反射光束との干渉によって、
ウェハステージＷＳのＹ方向の位置を検出する。なお、
投影光学系ＰＬと、レーザ干渉計ＬＩ_X、ＬＩ_Yは、レー
ザ光束Ｂ_Xとレーザ光束Ｂ_Yが同一平面内で直交し、かつ
光軸ＡＸがその交点を通るように配置されている。

【００２３】さて、上記のような投影露光装置には、レ
チクルＲとウェハＷとの位置合わせ（アライメント）を
行うための幾つかの位置計測系が設けられている。な
お、各アライメント方法に関して、それぞれＸ座標用の
位置計測系及びＹ座標用の位置計測系、さらに場合によ
っては、Θ座標用の位置計測系を設けることが可能であ
るが、以下においては、説明を簡略化するために、特に
断らない限り、Ｘ座標用の位置計測系に関連して本発明
実施例を説明することにする。

【００２４】まず、図４に模式的に示すようなＴＴＲ方
式でレチクルＲを装置本体（例えば、投影レンズＰＬの
光軸ＡＸ）に対してアライメントもしくは位置計測する
ためのレチクル位置計測系について説明する。図４にお
いて、１０は光源であり、光ファイバ等の送光光学系１
１を介してウェハステージＷＳに固定された基準指標板
ＦＭＢをその下面から露光光と同じ波長の光により照射
することが可能である。そして、図３に示すような基準
指標板ＦＭＢに付された指標マークＦＭにより形成され
たスリットを透過した光束１２は、投影光学系ＰＬを透
過してレチクルＲをその下面から照射する。そして、図
２に示すように、レチクルＲのパターン領域の外側に付
されたレチクルマークＲＭの透光部を透過した光束１２
は、レチクルＲの上方に例えば４５゜の傾斜角で固定さ
れたミラー１３と対物レンズ等から成る結像光学系１４
を介して撮像素子１５、例えばＣＣＤカメラに導かれて
いる。なお、図示の構成にあっては、指標マークＦＭが
付された基準指標板ＦＭＢの上面と、レチクルマークＲ
Ｍが付されたレチクルＲの下面と、撮像素子１５の受光
面の３つは光学的にほぼ共役な関係に置かれており、基
準指標板ＦＭＢ上のスリット状の指標マークＦＭ₁、Ｆ
Ｍ₂と、レチクルＲ上の対応するレチクルマークＲＭと
が重ね合わされて撮像素子１５の受光面上に結像され
る。そして撮像素子１５により得られた画像情報は、Ｃ
ＲＴのような画像表示装置１６に送られ、図１０に示す
ような画像を表示するとともに、演算処理装置１７に送
られ、所定の位置情報が演算され、その情報がメモリ１
８内に格納される。なお、かかる画像処理系を用いた位
置計測方法の詳細については後述する。そして、上記レ
チクル位置計測系により求められた指標マークＦＭに対
するレチクルマークＲＭの相対的位置情報に基づいて、
レチクルステージＲＳの駆動部ＲＳＤ_X、ＲＳＤ_Yが微動
調整されて、レチクルＲのＸ方向、Ｙ方向及びΘ方向の
位置決めがなされる。

【００２５】次に図５を参照しながら、オフアクシス方
式でウェハＷ上のウェハマークＷＭを検出して、基準指
標板ＦＭＢ’に付された指標マークＦＭとの位置合わせ
を行うためのウェハ位置計測系について説明する。被計
測指標であるウェハマークＷＭは、ウェハステージＷＳ
上に固定されたウェハＷのショット領域Ｓｎの周囲に設
けられたスクラブラインＳＣＬ上に設けられており、図
７（Ａ）に示すように、それぞれ複数本の線状パターン
を並べたマルチパターンとなっている。このウェハマー
クＷＭの位置検出を行う位置検出系について説明する
と、ハロゲンランプなどの光源２０からのアライメント
用照明光は、光ファイバ２１の第１分岐路２１ａから射
出され、レンズ系２２ａ、ハーフミラー（ビームスプリ
ッタ）２３ａ、レンズ系２４を経てプリズム２５で反射
されてウェハＷ上のウェハマークＷＭをほぼ垂直に照射
する。そして、ウェハＷからの反射光は、往路と同じ経
路を戻って、プリズム２５、レンズ系２４を介してハー
フミラー２３ａで反射され、さらに、指標マーク照射光
学系のハーフミラー（ビームスプリッタ）２３ｂを通過
して、レンズ系２６によって基準指標板ＦＭＢ’上に結
像される。この指標板ＦＭＢ’には指標マークＦ
Ｍ_a’、ＦＭ_b’が形成されている。この指標マークＦＭ
_a’、ＦＭ_b’は、図７（Ｂ）に示すようにＹ方向に伸び
た直線状パターンがＸ方向に所定の間隔で併設された２
本のパターンで構成されている。

【００２６】また光源２０からのアライメント用照明光
は、光ファイバ２１の第２分岐路２１ｂから射出され、
レンズ系２２ｂにより平行光束とされ、ビームスプリッ
タ２３ｂにより指標板ＦＭＢ’方向に反射され、レンズ
系２６を介して指標板ＦＭＢ’に付された指標マークＦ
Ｍ’を照射する。この指標板ＦＭＢ’はレンズ系２４、
２６によってウェハＷとほぼ光学的に共役な関係に配置
されており、従って、ウェハＷ上のウェハマークＷＭの
像は指標板ＦＭＢ’上に結像され、指標マーク照射光学
系２２ｂ、２３ｂ、２６により送光された照明光に照射
された指標マークと重ね合わされて、さらにリレーレン
ズ系２７、２８を介してこのウェハマークＷＭの像と指
標マークＦＭ_a’、ＦＭ_b’の像とがＣＣＤカメラ等の撮
像素子２９に結像する。そして、この撮像素子２９によ
り得られた画像情報は、図４に関連して上述したレチク
ル位置測定系と同様に、ＣＲＴのような画像表示装置１
６に送られ、図７（Ｂ）に示すような画像を表示すると
ともに、演算処理装置１７に送られ、所定の位置情報が
演算され、その情報がメモリ１８内に格納される。な
お、かかる画像処理系を用いた位置計測方法の詳細につ
いては後述する。そして、上記ウェハ位置計測系により
求められた指標マークＦＭ’に対するウェハマークＷＭ
の相対的位置情報に基づいて、ウェハステージＷＳの駆
動部ＷＳＤ_X、ＷＳＤ_Y、ＷＳＤ_Z、ＷＳＤ_Rが微動調整さ
れて、ウェハＷのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びΘ方向の
位置決めがなされる。

【００２７】なお図５に示すようなオフアクシス方式の
ウエハ位置計測系は、ウェハＷのＥ．Ｇ．Ａ．（Ｅｎｈ
ａｎｃｅｄＧｌｏｂａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）に利
用することも可能である。Ｅ．Ｇ．Ａ．は最小二乗近似
による統計的演算処理を使ったアライメント手法であ
り、詳しくは特開昭６１−４４４２９号公報、又は、特
開昭６２−８４５１６号公報に開示されているので、こ
こでは詳細な演算方法についての説明は省略するが、
Ｅ．Ｇ．Ａ．によれば、特開昭６２−８４５１６号公報
に開示されているようなＥ．Ｇ．Ａ．用ウェハマークＷ
ＭをウェハＷに付し、そのマーク検出をＸ、Ｙ方向の夫
々に実行すると、左右又は上下のＹ軸アライメント結果
のオフセットはウエハ、又はチップのローテーションと
なり、左右又は上下のＸ軸アライメントのオフセットは
ウエハ、又はチップの倍率誤差となる。これによってチ
ップローテーション、チップ倍率を補正しながら精度の
高いアライメントを行うことが可能である。

【００２８】さらに、図５に示したオフアクシス方式の
ウェハ位置計測系は、ウェハＷのグローバルアライメン
トに利用することも可能である。この種の投影露光装置
では一般にウェハのオリエンテーションフラットを検出
して機械的にウェハを位置決めして（プリアライメン
ト）してウェハステージＷＳ上に載置するが、その状態
では２０μｍ〜１００μｍ程度のプリアライメント誤差
が存在する。しかしながら、グローバルアライメントに
よれば、そのプリアライメント誤差を見込んでウエハ上
のグローバルアライメント用のマークをサーチし、ウェ
ハ上の実際のショット配列と設計上のショット配列とを
±１μｍ程度の誤差範囲内に対応付けることが可能であ
る。

【００２９】さて、既に説明したように、上記のような
各種アライメント動作を行うための位置計測系において
は、例えば、ＴＴＲ方式でレチクルの位置計測を行う場
合を例に取ってみると、撮像素子１５で獲得された画像
情報より、基準物体である指標基準板ＦＭＢなどに付さ
れた基準指標である指標マークＦＭなどに対する、被計
測物体であるレチクルＲに付された被計測指標であるレ
チクルマークＲＭの相対的位置が求められる。なお、指
標マークＦＭとレチクルマークＲＭとの相対的位置関係
が求められる座標系を画像座標系と称することにする。
また、基準指標である指標マークＦＭの位置については
レーザ干渉計ＬＩなどにより高精度に測定することが可
能である。なお、レーザ干渉計ＬＩにより決定される指
標マークＦＭが存在する座標系を基準座標系と称するこ
とにする。ここで、所定の光学系、画像処理系、レーザ
干渉計などから構成される位置計測系が完全な系である
ならば、基準座標系と画像座標系とは完全に線形対応す
るはずである。すなわち、図８に示すように、例えば基
準座標系における指標マークＦＭのＸ座標を横軸に取
り、画像座標系における指標マークＦＭのＸ座標を縦軸
に取った場合に、画像座標系の指標マーク位置と基準座
標系の指標マーク位置との対応関係は、図中点線Ｌで示
すように、傾きが一定の直線としてプロットされるはず
である。そして、従来の位置計測にあたっては、上記対
応関係が線形であることを前提として、指標マークＦＭ
に対するレチクルマークＲＭなどの被計測指標の相対的
位置を求め、その相対的位置関係が最適となるように、
各ステージＷＳ、ＲＳの微動調整を行っていた。しかし
ながら、実際に使用される位置計測系は、ディストーシ
ョン、コマといった種々の収差や撮像素子の歪み、ある
いは照明ムラなどに起因するその系に固有のオフセット
誤差を有しており、ナノメートルオーダの高精度の位置
合わせが要求される場合には、かかるオフセット誤差が
無視できない大きさであることは、既に説明した通りで
ある。

【００３０】そこで、本発明によれば、位置計測系が有
する固有のオフセット誤差を較正するために、以下に説
明するような較正動作が実施される。（１）較正誤差情報の獲得まず、位置計測系の画像座標系に表れるオフセット誤差
を求めるために、通常の位置計測動作とは逆に、被計測
物体の被計測指標を固定し、基準物体の基準指標を移動
し、各移動ポイントの基準座標系での位置をレーザ干渉
計により測定するとともに、各移動ポイントにおいて被
計測物体の被計測指標の画像座標系での位置を測定す
る。そして、基準座標系と画像座標系の原点とディメン
ションを合わせたとすると、被計測指標は固定されてい
るのであるから、測定された被計測指標の座標は基準指
標の位置に拘わらず全ての測定位置において一致するは
ずである。しかしながら、実際には被計測指標の座標は
一致せずバラつきが計測される。このバラつきは、図８
に示すように、基準座標系内の基準指標のＸ座標を横軸
に、画像座標系内の被計測指標のＸ座標を縦軸に取って
プロットしてみると、蛇行した曲線として現れる。そし
て、この蛇行曲線が、複数回の測定によっても再現性良
く現れれば、その曲線が示す測定誤差が、その位置計測
系に固有であり、かつ基準指標の基準座標系内の位置に
依存して生じるオフセット誤差であると認識することが
可能である。そして、このオフセット誤差を、基準指標
のオフセット誤差として、基準指標の基準座標系と画像
座標系との対応関係を示す図８に示すグラフ上にプロッ
トすることにより、較正基準曲線Ｅを得ることが可能で
あり、かかる較正誤差に関する情報は、例えば、基準指
標の基準座標系における座標とオフセット量との関係を
示す参照テーブルとして、メモリ１６内に格納される。
なお発明者の知見によれば、上記オフセット誤差の再現
性は非常に高いため、一度の測定により較正誤差情報を
獲得することも可能であるが、より慎重を期すならば、
数度の測定の平均値より較正誤差情報を得ることもでき
る。

【００３１】（２）第１較正動作より高い精度が要求される場合には、この第１較正動作
が行われる。この第１の較正動作では、まず通常の位置
計測と同様の動作が行われる。すなわち、図４に示すＴ
ＴＲ方式のレチクル位置計測を例に挙げて説明すると、
まずレチクルステージＲＳに載置され固定されたレチク
ルＲはまず駆動部ＲＳＤ_Xによりプリアライメントされ
る。次いで、レチクル位置計測のために、ウェハステー
ジＷＳをレチクルＲと投影光学系ＰＬの下に移動させ
る。そして、その移動先、すなわち測定位置における指
標マークＦＭの基準座標系内の座標をレーザ干渉計ＬＩ
_Xにより計測し、その位置を、例えばＸ₁として記憶す
る。その後、光源１０より送光系１１を介して、露光光
と同じ波長の照明光を、指標マークＦＭの下面から照射
する。指標マークＦＭにより形成されたスリットを透過
した光束１２は投影光学系ＰＬを介して、レチクルマー
クＲＭに結像し、さらにレチクルマークＲＭのスリット
を透過した光束１２は、ミラー１３及び結像光学系１４
を介して、撮像素子１５の受光面に、指標マークＦＭと
レチクルマークＲＭの重ね合わせ像を、図１０に示すよ
うに結像するのである。このようにして得られた画像情
報から、指標マークＦＭとレチクルマークＲＭとの相対
的位置を求めるのであるが、その際に、予めメモリに格
納されている参照テーブルから、座標（Ｘ₁）に対応す
る較正誤差情報を読み出す。そして、読み出されたオフ
セット誤差が図８に示すように「−Ｅｒ」であるとする
と、画像座標系において、基準座標系の座標（Ｘ₁）に
対応する座標（Ｘ’₁）はオフセット誤差を含み真値で
はないので、「−Ｅｒ」の補正を指標マークＦＭとレチ
クルマークＲＭとの相対的位置情報に対して加え座標
（Ｘ”１）を得ることにより、誤差の無い高精度の位置
計測を行うことが可能である。

【００３２】（３）第２較正動作ところで、レチクル位置計測時のレチクルマークＲＭと
指標マークＦＭとの相対的位置関係のズレＸｄ（図１２
参照）は、レチクルアライメントの追い込み精度、基準
指標板ＦＭＢの移動位置精度、レチクルマークＲＭの描
画誤差などにより決定されるが、描画誤差などは別とし
ても、投影露光装置のシステム設計と、その運用方法に
より適宜設計、設定することが可能な要素も多い。そこ
で、この第２較正動作では、位置計測系の設計から予想
されるレチクル位置計測に入る時の指標マークＦＭとレ
チクルマークＲＭの平均位置Ｘ₀（図８及び図１２参
照）の周囲、例えば範囲［Ｘ₂、Ｘ₃］でのオフセット誤
差を較正誤差情報から読み出し、投影露光装置系に要求
される位置計測精度と比較して、レチクルマークＲＭと
指標マークＦＭとのオフセット誤差が十分に小さく（例
えば１０分の１）なる範囲に、その平均位置Ｘ₀及びそ
の周辺範囲［Ｘ₂、Ｘ₃］が収まるように、投影露光装置
を予め設計、設定しておくことにより、生じ得るオフセ
ット誤差を無視しても高精度の位置測定を行うことが可
能となる。さらにまた、指標マークＦＭとレチクルマー
クＲＭの平均位置Ｘ₀及びその周辺範囲［Ｘ₂、Ｘ₃］で
のオフセット誤差が、無視できない程度に大きく、かつ
その測定位置を変更できないような場合には、その位置
ズレの原因を突き止め、例えばレチクルアライメント系
の追い込み許容値が大きいことが原因でオフセット誤差
が大きくなっているのであれば、追い込み許容値の設定
をさらに小さくすることで、オフセット誤差を位置測定
時に無視できるほど小さい範囲に抑えることも可能であ
る。

【００３３】以上、本発明の実施例について、図４に示
すＴＴＲ方式でレチクルマークＲＭと指標マークＦＭと
を位置計測するための系のオフセット誤差較正動作を例
にとって説明したが、本発明はかかる実施例に限定され
ず、他の精密な位置計測が要求される全てのアライメン
ト系に適用できることは言うまでもない。例えば、図４
に示すＴＴＲ方式では、レチクルマークＲＭと指標マー
クＦＭとを同一光源にて照明しているが、それぞれ別光
源にて照明する方式を採用することも可能であり、さら
にその場合には、指標マークＦＭをレチクルマークＲＭ
の結像光路内に置く方式と置かない方式があるが、これ
らのいずれの方式に対しても本発明方法は適用可能であ
る。

【００３４】また例えば、本発明は、図５に示すよう
に、オフアクシス方式でウェハマークＷＭと指標マーク
ＦＭとをアライメントするためのウェハ位置計測系につ
いても当然適用することが可能である。なお、図５に示
すオフアクシス方式の位置計測系においては、基準指標
板ＦＭＢ’をウェハマークＷＭの結像光学系の光路中に
置き、基準指標板ＦＭＢ’表面にウェハマークＷＭを一
旦結像させて指標マークＦＭと重ね合わせた上で、両マ
ークの像をリレーレンズ系を介して撮像素子の受光面に
結像させる構成を示したが、本発明は、同様のオフアク
シス方式であっても、図１３に示すように、基準指標板
ＦＭＢ”をウェハマークＷＭの結像光学系の光路外に置
く構成についても適用可能である。すなわち、この実施
例では、ウェハマーク照明用光源５０から射出された照
明光は、レンズ系５１、ビームスプリッタ５２、レンズ
系５３、プリズム５４を介してウェハマークＷＭをほぼ
垂直に照射する。ウェハマークＷＭにおいて反射された
反射光は、往路と同様に、プリズム５４、レンズ系５３
を経て、ビームスプリッタ５２に到達し、ビームスプリ
ッタ５２により反射されて、レンズ系５５によりハーフ
ミラー５６上に結像する。この場合に、ウェハマークＷ
Ｍの付された面とハーフミラーの結像面とがレンズ系５
３、５５に関して共役な関係に置かれることは言うまで
もない。一方、指標マーク照明用光源５７から射出され
た照明光は、レンズ系５８を介して基準指標板ＦＭＢ”
５９を照射する。そして、指標マークＦＭ”を透過した
照明光はレンズ系５９によりハーフミラー５６に結像す
る。このようにして、ハーフミラー５６によって合成さ
れたウェハマークＷＭと指標マークＦＭとの重ね合わせ
像が、リレーレンズ系６０を介して撮像素子６１の受光
面に結像されるのである。なお、図１３に示す実施例で
は、ウェハマークＷＭと指標マークＦＭとを別光源にて
照明しているが、両マークを同一光源にて照明する方式
に対しても本発明方法が適用できることは言うまでもな
い。

【００３５】さらにまた、図示は省略するが、ＴＴＬ方
式で、ウェハマークＷＭとウェハステージＷＳ上の指標
マークＦＭとの位置合わせを行う場合があり、その場合
に、両マークを同一光源にて照射する方式と、両マーク
を別光源にて照射する方式とがあり、さらに後者の場合
には、両マークを同一の結像光路系に置く方式と行い方
式があるが、これらのアライメント方式における位置計
測系に対しても本発明方法は適用できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
投影露光装置に適用可能な各種アライメント方式に採用
される位置計測系に固有であり、かつ位置計測時に基準
となる基準物体の基準使用の基準座標系における座標に
依存する較正誤差情報を予め求め、実際に位置計測を行
うにあたっては、その較正誤差情報を勘案し、位置計測
の結果からオフセット誤差分を補正したり、あるいは、
オフセット誤差分が無視できる範囲で位置計測を行うの
で、ナノメートルオーダの精度が要求される場合にも適
用可能な高精度の位置計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による投影露光装置の概略的
な構成を示す斜視図。

【図２】レチクルマークＲＭが付されたレチクルＲの概
略的な斜視図。

【図３】指標マークＦＭが付された基準指標板ＦＭＢの
概略的な斜視図。

【図４】本発明の一実施例による投影露光装置のＴＴＲ
方式のレチクル位置計測系の概略を示す構成図。

【図５】本発明の一実施例による投影露光装置のオフア
クシス方式のウェハ位置計測系の概略を示す構成図。

【図６】ウェハマークＲＭが付されたウェハＷの一部を
示す説明図。

【図７】（Ａ）はウェハマークＷＭの概略を示す説明
図、（Ｂ）は指標マークＦＭの概略及びウェハマークＷ
Ｍとの重ね合わせの概略を示す説明図。

【図８】基準座標系と画像座標系との間に生じるオフセ
ット誤差の一例を示す図。

【図９】（Ａ）は指標マークＦＭの概略を示す図、
（Ｂ）はレチクルマークＲＭの概略を示す図。

【図１０】撮像素子の受光面に重ね合わされて結像され
た指標マークＦＭとレチクルマークＲＭの概略を示す
図。

【図１１】撮像素子により獲得された画像信号の一例を
示す図。

【図１２】基準指標と被計測指標との相対的位置関係の
違いによって生じるオフセット誤差を示した模式図。

【図１３】本発明の一実施例による投影露光装置のオフ
アクシス方式のウェハ位置計測系の概略を示す構成図。

【符号の説明】

ＦＭＢ基準指標板ＦＭ指標マークＷウェハＷＭウェハマークＲレチクルＲＭレチクルマークＰＬ投影光学系ＷＳウェハステージＷＳＤウェハステージ駆動部ＲＳレチクルステージＲＳＤレチクルステージ駆動部１０光源１３ミラー１４結像光学系１５撮像素子１６画像表示装置１７演算手段１８メモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被計測指標が付された被計測物体と基準
指標が付された基準物体と；前記被計測物体及び前記基
準物体を撮像する撮像素子と；前記撮像素子により得ら
れた画像情報を処理する画像処理装置とを備えた位置計
測系において；前記撮像素子に撮像された、前記基準物
体の基準指標の像に対する前記被計測物体の被計測指標
の像の相対的位置を計測する方法であって：前記被計測
指標の位置と前記基準指標の位置とを相対移動し、各移
動位置において、前記基準指標の像に対する前記被計測
指標の像の相対的位置を計測することにより、その相対
的位置のずれと前記基準指標の位置との関係を、前記位
置計測系に固有の較正誤差情報として予め求め；前記基
準指標の像に対する前記被計測指標の像の相対的位置を
計測する際には、計測した相対的位置に対して、前記較
正誤差情報に基づいて、前記基準指標の位置に応じた補
正を加えることを特徴とする、位置計測方法。
【請求項２】被計測指標が付された被計測物体と基準
指標が付された基準物体と；前記被計測物体及び前記基
準物体を撮像する撮像素子と；前記撮像素子により得ら
れた画像情報を処理する画像処理装置とを備えた位置計
測系において；前記撮像素子に撮像された、前記基準物
体の基準指標の像に対する前記被計測物体の被計測指標
の像の相対的位置を計測する方法であって：前記被計測
指標の位置と前記基準指標の位置とを相対移動し、各移
動位置において、前記基準指標の像に対する前記被計測
指標の像の相対的位置を計測することにより、その相対
的位置のずれと前記基準指標の位置との関係を、前記位
置計測系に固有の較正誤差情報として予め求め；前記較
正誤差情報に基づいて、前記位置計測系に要求される位
置計測精度に実質的に影響を与えない程度の相対的位置
のずれが生じる前記基準指標の位置範囲を許容測定位置
範囲として求め；その許容測定位置範囲内に前記基準指
標の位置を位置合わせした後、前記基準指標の像に対す
る前記被計測指標の像の相対的位置を計測することを特
徴とする、位置計測方法。