JPH11145028A - パターン描画装置用マーク位置検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パターン描画装置用マーク位置検出方法と装
置で、特に、電子線描画装置等の露光工程での試料のア
ライメントのためのマーク読み取りを高精度に行う。 【解決手段】 パターン描画装置用マーク位置検出方法
で、反射電子検出器１２が検出した信号波形と基準信号
波形とをマッチング処理部３８でマッチング処理し、そ
の結果に応じて次の検出する信号波形の基準信号波形を
修正してマーク位置検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパターン描画装置用
マーク位置検出方法と装置に関し、特に、電子線描画装
置等の露光工程での試料のアライメントのためのマーク
位置を検出する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造プロセスでは基板上に多層
膜を形成するため、各膜を形成する工程毎に試料上に設
けられた位置合せマークを検出して位置合せを行う必要
がある。位置合わせマークは、一般に試料上の突起部や
溝の幾何学的構造（例えば段差）を利用して形成してい
るものと、電子の反射率が異なる物質（例えば重金属）
を利用して形成しているものが知られている。また、Ｌ
ＳＩの集積度の向上に伴って素子や配線等のパターンサ
イズが小さくなっていくのに従って位置合わせマークも
ますます微細化している。

【０００３】これらについて、電子ビーム描画装置の場
合について説明すると、電子ビームが照射している試料
上（ウエハ基板上）の位置を知るためには、試料上の特
定の位置に設けられたマークを検出して電子ビーム位置
の座標を較正する必要がある。従って、試料上に設けら
れた位置検出用凹凸マークを電子ビームで走査し、位置
検出マークからの反射電子を検出器で取り込み、その信
号波形を処理することで行われる。これらについて図面
を参照して説明すると、図５はマーク検出装置の概略図
で、ウエハ等の試料１４の表面上を電子ビーム７０を走
査し、試料１４の表面上に設けられた突起状の位置検出
マーク７１からの反射電子信号を２つの検出器７２、７
３で検出する。この２個の信号は増幅・整形部７４で絶
対値の差分を取り増幅・整形される。その処理された波
形からスライスレベル法（スライスレベルと信号波形と
の交点からエッジを求める方法）によってマークエッジ
部分を抽出してマーク位置を検出する。この検出信号と
描画装置制御系７５からの信号により図示しない電子ビ
ーム位置を調整する。

【０００４】なお、波形処理についてはスライスレベル
法の代わりにマッチング法を用いて処理する技術が特開
平３−１５６９１３号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ウエハ上に設けられた
位置検出マークは、ウエハ面上に多層膜やレジストが付
けられているため凹凸やレジストむらが存在する。ま
た、平坦化処理（ＣＭＰＣｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｐｏｌｙｓｈｉｎｇ）によって位置検出マ
ークの段差に違いが出るため、電子ビームを走査したと
きの反射電子信号波形が異なる。そのため、位置マーク
を検出できない場合や検出できても検出精度が悪く、結
果的に重ね合せ精度が低下するという不具合が生じてい
る。

【０００６】特に、一枚のウエハ上に多数にチップを描
画する場合、ウエハの加工状態によって個々のチップの
状態も変形が生じているため位置検出マークもずれが生
じている。そのため、描画の際の位置検出の誤差が発生
することは避けられない。

【０００７】本発明は上記の事情にもとづいてなされた
もので、その目的はパターン描画装置用のマーク検出に
おいて検出精度のよい方法と装置を提供するものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、試料上
に測定用ビームを照射して試料上に描かれた位置検出用
マークからの反射光による反射信号波形を検出し、その
検出した信号波形と予め記憶している基準信号波形との
マッチング処理により対象部の位置を検出するパターン
描画装置用マーク位置検出方法において、前記マッチン
グ処理は最初の対象部の複数の位置検出用マークを検出
してそのうち誤差が最小になった信号波形を特定し、そ
の信号波形を基準波形として最初の対象部の位置を再度
検出すると共に次の対象部の位置の検出を行うことを特
徴とするパターン描画装置用マーク位置検出方法にあ
る。

【０００９】また本発明によれば、前記マッチング処理
を対象部毎に順次行う際の信号波形の基準波形は前の対
象部の検出結果に順次変更することを特徴とするパター
ン描画装置用マーク位置検出方法にある。

【００１０】また本発明によれば、前記予め記憶してい
る基準信号波形は前記試料上に形成された下地層毎であ
ることを特徴とするパターン描画装置用マーク位置検出
方法にある。

【００１１】また本発明によれば、前記位置検出用マー
クは位置検出対象部毎に複数個設けられていることを特
徴とするパターン描画装置用マーク位置検出方法にあ
る。

【００１２】また本発明によれば、前記マッチング処理
は、一次元波形と二次元波形とに必要に応じて切替えて
行うことを特徴とするパターン描画装置用マーク位置検
出方法にある。

【００１３】また本発明によれば、測定用ビームを発生
させるビーム発生手段と、このビーム発生手段で発生し
た測定用ビームを試料の所望の位置に照射するために試
料を移動させるステージと、このステージの位置を規定
するために位置計測を行う位置計測手段と、前記測定用
ビームを試料に対して相対的に走査したときに受ける試
料からの反射電子を検出する反射電子検出器と、この反
射電子検出器で検出した反射電子信号を処理し信号波形
を形成する信号処理手段と、予め基準信号による基準波
形を記憶している記憶手段と、この記憶手段に記憶され
ている基準波形と前記信号波形とをマッチング処理する
マッチング処理手段と、このマッチング処理手段のマッ
チング処理結果に基づいて新たな基準信号波形を決定す
る基準信号決定手段を有することを特徴とするパターン
描画装置用位置検出装置にある。

【００１４】また本発明によれば、前記測定用ビームは
電子ビームであることを特徴とするパターン描画装置用
位置検出装置にある。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。パターン描画装置等で行う位置マ
ークの検出を位置検出用マーク（チップマーク）のマー
ク信号波形を用いて行う場合、マーク信号波形自体の形
状認識は、Ｓ／Ｎ比が高い場合は容易であるが、逆に低
い場合やノイズがある場合は困難である。しかしなが
ら、適切な信号処理例えば基準信号とのマッチング処理
を行うことで検出することは可能である。

【００１６】また、試料の下地処理が同じである場合は
試料面のマーク信号波形は極端には違わないが、薄膜生
成工程や平坦化処理工程を経ると試料毎に多少の差異が
生じていることが多く、予め記憶させた基準波形とのマ
ッチング処理を行うと、試料の場所によって検出誤差が
大きくなることが発生する。それらを防止するため、試
料の場所に応じ、ほぼ同様の状態を有する近傍の検出情
報を基にして最適な基準信号波形を決定し、それに基づ
いてマークの位置検出を行うことで精度のよい検出が行
える。

【００１７】図１は本発明の実施の形態を示す模式図
で、描画装置電子光学系６０は制御アンプ６１を介して
描画制御部６２へ接続している。描画制御部６２は機構
制御部６３、マーク位置検出部６４と制御計算機６５に
接続している。

【００１８】描画装置電子光学系６０は、電子銃１から
加速された電子ビーム４２の進行方向に沿って電子銃１
の前方に順次、照明レンズ２、ブランキング電極８、第
１成形アパーチャ６、投影レンズ３、成形偏向器９、第
２成形アパーチャ７、縮小レンズ４、副偏向器１０、主
偏向器１１、対物レンズ５、反射電子検出器１２、Ｚセ
ンサ１３が配置され、その前方にアライメントマーク４
３を有する試料（ウエハ）１４を載置するホルダ１５を
保持したＸＹステージ１６が設けられている。このＸＹ
ステージ１６は真空チャンバ１７の内部に設置されてお
り、真空チャンバ１７の内部は真空排気装置２０によっ
て一定レベルの真空状態に保たれている。

【００１９】制御アンプ６１は、ブランキング電極８に
接続したブランキングアンプ２９、成形偏向器９に接続
した成形偏向アンプ２８、副偏向器１０に接続した副偏
向アンプ２７と主偏向器１１に接続した主偏向アンプ２
６とを備えて構成されている。

【００２０】描画制御部６２は、偏向制御部３３とパタ
ーンデータ発生部３４とを備えて構成されている。

【００２１】機構制御部６３は、モータ駆動部１８とレ
−ザ測長器１９を介してＸＹステージ１６に接続してい
るステージ制御部２５、真空排気装置２０に接続してい
る真空排気制御部２４とウエハローダ２１に接続してい
るウエハローダ制御部２３を備えて構成されている。

【００２２】マーク位置検出部６４は、偏向制御部３３
に接続している信号波形記憶部３６、この信号波形記憶
部３６に接続している信号処理部３７、この信号処理部
３７に接続しているマッチング処理部３８、このマッチ
ング処理部３８に接続している基準波形決定部３９とこ
の基準波形決定部３９に接続している基準波形記憶部４
０を備えて構成されている。

【００２３】制御計算機６５は、電子銃制御部３１や電
子レンズ制御部３２と電子レンズ電源３０を介して描画
装置電子光学系６０に接続している。

【００２４】これらの構成による作用を説明すると、電
子銃１から加速された電子ビーム４２を照明レンズ２に
より均一な電子ビーム４２に成形する。この均一に成形
された電子ビーム４２は第１成形アパーチャ６によって
正方形に成形された後に投影レンズ３により菱形と矩形
からなる第２成形アパーチャ７に投影される。このとき
ＣＡＤデータに従って照射形状とその面積が照射される
ように第２成形アパーチャ７に対する照射位置を成形偏
向器９で制御する。このパターンは縮小レンズ４と対物
レンズ５で縮小投影されるが、このときの描画パターン
位置に対するビーム位置は主偏向器１１と副偏向器１０
とで制御される。この場合、主偏向器１１は描画照射領
域であるストライブ内の位置を試料（ウエハ）１４を搭
載したＸＹステージ１６に位置を参照しながら制御し、
副偏向器１０はストライブ内を細かく分割した描画範囲
に対してその位置制御を行う。このとき、ＸＹステージ
１６の位置はレ−ザ測長器１９により測定される。この
際の電子ビーム４２の有無はブランキング電極８で制御
する。試料（ウエハ）１４上に照射されたときに発生す
る反射電子を検出するための反射電子検出器１２が設け
られており、アライメントマーク４３の位置は反射電子
検出器１２が反射電子信号を処理することで検出され
る。また、Ｚセンサ１３は試料１４の高さを測定してビ
ームフォーカス位置を制御する。

【００２５】試料１４のアライメント（ＥＢ描画装置の
場合は、レジストレーションと言う場合が多い）は、試
料１４の下地に描かれたパターンの上の次の層のパター
ンを精度良く描画するために必要である。電子描画装置
では最初にＸＹステージ１６に搭載された試料１４上の
２個所のアライメントマーク４３を検出して試料１４の
位置ずれ量を測定する（ウエハアライメント）。

【００２６】この測定結果をもとにチップ内の４個所の
チップマーク４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄを検出し
て設計値からのずれを測定することでチップの歪み量を
求める（チップアライメント）。これらの結果をもとに
偏向フィールドの各偏向座標に対するチップの歪みを補
正する演算を行いビームを正確に偏向して描画する。

【００２７】なお、各チップマークは図３に示すように
下地層５０から順次に積層される上積層５１、５２にな
るに従ってアライメントマーク４３の位置や形状が変化
してくるため、従来技術のように固定した基準値との比
較では正確な位置検出は困難である。本発明のように基
準値を順次に修正・登録を行い、常にそれぞれのチップ
に適応した基準波形と比較することで誤差の発生を最小
限に押さえて正確な位置検出が出来る。

【００２８】これらの描画方法で描画されたマークの検
出方法について図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３を参照
して説明すると、図２（ａ）、図２（ｂ）はフローチャ
ートである。

【００２９】まづ、基準波形記憶部４０に予め基準信号
波形を試料１４の下地条件毎に１つづつ記憶させてお
き、チップアライメントはウエハアライメント結果をも
とに第１番目のチップから第ｎ番目のチップまで対応す
るステップの処理を行う。

【００３０】すなわち、ステップ１では第１番目のチッ
プ４７のチップマーク４７ａの位置にＸＹステージ１６
を移動させる。次に電子ビーム４２をＸＹ方向に走査し
て反射電子信号を検出器で取り込み信号波形記憶部３６
に記憶させる。この記憶された信号波形を信号処理部３
７でフィルタ処理してマッチング処理部３８で基準信号
波形とマッチングさせ、取込んだ信号波形とのマッチン
グ誤差を算出してその値を基準波形決定部３９に記憶さ
せておく。同様に同じチップ４７内の残りの３個所のチ
ップマーク４７ｂ、４７ｃ、４７ｄについても基準信号
波形とマッチングさせてその誤差を求める。そして、４
つのチップマーク４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄの信
号波形の中でマッチング誤差が最小の値のものを基準波
形決定部３９で決定し基準波形記憶部４０に新しい基準
信号波形として登録し、再度、第１番目のチップ４７の
４個所のチップマーク４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ
位置を測定してチップの歪み量を求める。

【００３１】ステップ２として、ステップ１終了後に第
２番目のチップマーク４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ
に対して、第１番目のチップ４７のチップマーク検出の
際に新たに登録した基準信号波形とのマッチング処理を
行ってマーク位置を検出する。

【００３２】さらにステップ３として、ステップ２終了
後に第３番目のチップ４９のチップマーク４９ａ、４９
ｂ、４９ｃ、４９ｄに対して、第２番目のチップ４８の
検出の際にマッチング誤差が最小だった波形を新たに基
準信号波形として第３番目のチップマーク４９ａ、４９
ｂ、４９ｃ、４９ｄを検出する。

【００３３】この方式でステップｎまで逐次各チップの
チップマーク４７の検出を行い各チップの歪み量を求め
る。そして、１列目の各チップ４７、４８、４９のチッ
プマーク４７ａ、４７ｂ……４９ｃ、４９ｄ検出終了
後、各チップの歪み量を補正してパターン描画を行う。
以下順次このチップアライメントを試料１４の全面にス
テップｎまで行ない、その結果に基づいてパターン描画
を行う。

【００３４】なお、信号波形のマッチングを行うパター
ンマッチング法は、画像を処理して物体の位置・姿勢・
形状等の幾何学的性情を認識する実用的な方法で、２つ
の濃淡画像がある場合、この２つの画像間の距離が最小
となる相対位置を抽出すもので、画像を次々に走査し切
出される画素群と、レジスタに予め格納されている標準
パターンとを一致度検出回路で（排他的論理和回路）に
よって一致度を検出するものである。

【００３５】また、本実施の形態では一次元の信号波形
同志をマッチング処理してマーク位置を検出する場合に
ついて説明したが、図４に示すようにマーク領域全てを
電子ビーム４２で走査することで得られる２次元信号
（マーク画像）に対してマッチング処理してマーク位置
を検出しても同様な効果が得られるのは言うまでもな
い。この場合は、制御計算機６５からマーク信号の取り
込み方法を指示し、偏向制御部３３でビームに走査方法
を変更することで１次元あるいは２次元に信号を取込む
ことが出来る。

【００３６】また、本発明のマーク位置検出方法は光ス
テッパやＸ線ステッパにも適用できる事は言うまでもな
く、要は、それぞれの資料毎に基準波形を順次に学習・
登録し、その登録した基準波形でそれぞれの資料のアラ
イメントマークをマッチング処理してマークの位置検出
を行うものであれば種々適用できる。

【００３７】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、パ
ターン描画装置用マーク位置検出方法とその装置で、検
出したアライメントマークの信号波形と基準信号波形と
をマッチング処理した結果に応じて、次のアライメント
マークを検出する際の基準信号波形を修正して登録する
ようにしたので、各アライメントマークの検出に際し基
準信号波形を常にそれぞれの試料に適応した最適基準波
形を用いて検出することが出来る。

【００３８】従って、それぞれの試料表面の薄膜及びレ
ジストの凹凸やむらによる影響を受けにくく、また、平
坦化（ＣＭＰ）処理によって生じる試料内の段差（マー
ク信号）による影響も少なくなるので高精度なマーク検
出を実現できる。

【００３９】また、本発明によれば試料が大口径化して
も安定したマーク位置検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のパターン描画装置の位置検出装置の
一実施の形態を示す概略図。

【図２】 （ａ）本発明のパターン描画装置の位置検出
方法の一実施の形態を示すフローチャート、（ｂ）本発
明のパターン描画装置の位置検出方法の一実施の形態を
示すフローチャート。

【図３】 本発明のパターン描画装置の位置検出方法の
一実施の形態の概要を示す説明図。

【図４】 本発明の他の実施の形態で、２次元信号マー
クの読取りについての説明図。

【図５】 従来の実施の形態を示す説明図。

【符号の説明】

１…電子銃 １６…ＸＹステージ ６０…描画装置電子光学系 ６１…制御アンプ ６２…描画制御部 ６３…機構制御部 ６４…マーク位置検出部 ６５…制御計算機

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料上に測定用ビームを照射して試料上
   に描かれた位置検出用マークからの反射光による反射信
   号波形を検出し、その検出した信号波形と予め記憶して
   いる基準信号波形とのマッチング処理により対象部の位
   置を検出するパターン描画装置用マーク位置検出方法に
   おいて、前記マッチング処理は最初の対象部の複数の位
   置検出用マークを検出してそのうち誤差が最小になった
   信号波形を特定し、その信号波形を基準波形として最初
   の対象部の位置を再度検出すると共に次の対象部の位置
   の検出を行うことを特徴とするパターン描画装置用マー
   ク位置検出方法。
2. 【請求項２】 前記マッチング処理を対象部毎に順次行
   う際の信号波形の基準波形は前の対象部の検出結果に順
   次変更することを特徴とする請求項１記載のパターン描
   画装置用マーク位置検出方法。
3. 【請求項３】 前記予め記憶している基準信号波形は前
   記試料上に形成された下地層毎であることを特徴とする
   請求項１記載のパターン描画装置用マーク位置検出方
   法。
4. 【請求項４】 前記位置検出用マークは位置検出対象部
   毎に複数個設けられていることを特徴とする請求項１記
   載のパターン描画装置用マーク位置検出方法。
5. 【請求項５】 前記マッチング処理は、一次元波形と二
   次元波形とに必要に応じて切替えて行うことを特徴とす
   る請求項１記載のパターン描画装置用マーク位置検出方
   法。
6. 【請求項６】 測定用ビームを発生させるビーム発生手
   段と、このビーム発生手段で発生した測定用ビームを試
   料の所望の位置に照射するために試料を移動させるステ
   ージと、このステージの位置を規定するために位置計測
   を行う位置計測手段と、前記測定用ビームを試料に対し
   て相対的に走査したときに受ける試料からの反射電子を
   検出する反射電子検出器と、この反射電子検出器で検出
   した反射電子信号を処理し信号波形を形成する信号処理
   手段と、予め基準信号による基準波形を記憶している記
   憶手段と、この記憶手段に記憶されている基準波形と前
   記信号波形とをマッチング処理するマッチング処理手段
   と、このマッチング処理手段のマッチング処理結果に基
   づいて新たな基準信号波形を決定する基準信号決定手段
   を有することを特徴とするパターン描画装置用位置検出
   装置。
7. 【請求項７】 前記測定用ビームは電子ビームであるこ
   とを特徴とする請求項６記載のパターン描画装置用位置
   検出装置。