JPWO2003104746A1 - 位置計測方法、露光方法、露光装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

この位置計測方法では、物体上に形成されたマークを照明ビームで照明し、そのマークから発生したビームを観察系を介して撮像し、その撮像信号を信号処理してマークの位置に関する位置情報を計測する。撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報と、その撮像信号とに基づいて、前記信号処理を行う。その結果、撮像信号にノイズが含まれる場合にも、精度よくマークの位置情報を計測することができる。

Description

技術分野
本発明は、物体上に形成されたマークを観察系を介して撮像し、その撮像信号を信号処理してマークの位置に関する位置情報を計測する位置計測方法に関し、特に、半導体素子や液晶表示素子などのデバイスの製造工程で使用される露光方法及び露光装置に用いられる技術に関する。
背景技術
半導体素子、液晶表示素子等の電子デバイスの製造工程では、プロセス処理を行いながら、基板（ウエハやガラスプレートなど）上に多数層の回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成する。そのため、露光装置で２層目以降の回路パターンを基板上に露光する際には、マスク（又はレチクル）のパターンと基板上に既に形成されているパターンとの位置合わせ（アライメント）を高精度に行う必要がある。
基板やマスク上には位置合わせ用のマークが形成されており、このマークの位置に関する位置情報を計測し、その位置情報に基づいて上記位置合わせが行われる。
マークに対する位置計測技術としては、基板やマスク上のマークを照明ビームで照射し、その光学像をＣＣＤカメラ等の撮像手段を備える観察系を介して撮像し、その撮像信号を信号処理してマークの位置情報を求める方式がある。
観察系を用いた位置計測方法では、観察系で生じたノイズが撮像信号に含まれる場合がある。この場合、撮像信号に含まれるノイズの影響によって計測誤差が生じる可能性がある。
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、撮像信号にノイズが含まれる場合にも、マークの位置情報を精度よく計測することができる位置計測方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、露光精度を向上させることができる露光方法、及び露光装置を提供することを他の目的とする。
また、本発明は、パターン精度の向上を図ることができるデバイス製造方法を提供することを別の目的とする。
発明の開示
本発明では、物体（Ｒ）上に形成されたマーク（ＲＭ１，ＲＭ２）を照明ビームで照明し、このマーク（ＲＭ１，ＲＭ２）から発生したビームを観察系（２２Ａ，２２Ｂ）を介して撮像し、その撮像信号を信号処理して前記マーク（ＲＭ１，ＲＭ２）の位置に関する位置情報を計測する位置計測方法において、撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報と、撮像信号とに基づいて、信号処理を行う。
この位置計測方法では、マークの撮像信号に加え、その撮像信号に含まれるノイズに関する情報に基づいて信号処理を行うことにより、位置計測に際してノイズの影響を補正しすることができる。ノイズは、光量依存成分を含んでいるため、その影響を補正することにより、マークの位置情報を精度よく計測できる。
この場合、光量依存成分を含んだノイズを、撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測することにより、撮像信号におけるノイズの影響を容易に補正できる。
また、光量依存成分の経時変化特性に応じてノイズの再計測を行うことにより、ノイズの影響を常時正確に補正することが可能となる。
光量依存成分を含んだノイズの計測は、例えば、物体（Ｒ）上でマーク（ＲＭ１，ＲＭ２）が形成されたマーク領域とは異なる非マーク領域を照明ビームで照明し、この非マーク領域を観察系（２２Ａ，２２Ｂ）を介して撮像することにより行う。
また、マーク（ＲＭ１，ＲＭ２）が複数のマーク要素を含む場合、この複数のマーク要素のうち、計測対象を除くマーク要素を含む領域を照明ビームで照明することにより、位置計測に影響を及ぼすノイズの光量依存成分を、より正確に計測できる。
また、ノイズに影響を及ぼす環境因子を計測し、その計測結果に基づいて、ノイズの再計測を行うことにより、長期に渡り安定した位置計測が可能となる。
光量依存成分を含んだノイズは、例えば、マーク（ＲＭ１，ＲＭ２）から発生したビームが観察系（２２Ａ，２２Ｂ）を通過することに起因して発生する。
観察系（２２Ａ，２２Ｂ）におけるノイズの発生起因としては、例えば、ミラー（７３，８６）や撮像素子（７８）のカバーガラスで生じる干渉縞、あるいは撮像素子（７８）における複数の画素の間における感度のばらつきなどが挙げられる。
また、ノイズは、光量依存成分の他に、光量非依存成分を含むことがある。
この場合、ノイズに含まれる光量非依存成分を、照明ビームが観察系（２２Ａ，２２Ｂ）で観察されない状態で、撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測するとよい。
ノイズが光量依存成分と光量非依存成分とを含む場合、信号処理が、撮像信号からノイズの光量非依存成分を減算する処理や、撮像信号に対してノイズの光量依存成分を減算又は除算する処理を含むことにより、撮像信号に対するノイズの影響が良好に補正される。
あるいは、信号処理が、撮像信号からノイズの光量非依存成分を減算した処理結果に対して、ノイズの光量依存成分から光量非依存成分を減算した処理結果を除算する処理を含むことにより、撮像信号に対するノイズの影響が良好に補正される。
本発明では、マスク（Ｒ）上に形成されたパターンを、基板（Ｗ）上に転写する露光方法において、マスク（Ｒ）又は基板（Ｗ）上に形成されたマーク（ＲＭ１，ＲＭ２，ＷＦＭ１，ＷＦＭ２）を照明ビームで照明し、このマークから発生したビームを観察系（２２Ａ，２２Ｂ）を介して撮像し、観察系（２２Ａ，２２Ｂ）の撮像信号と、この撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報とに基づいて、撮像信号を信号処理してマークの位置に関する位置情報を計測し、計測された位置情報に基づいて、マスク（Ｒ）又は基板（Ｗ）を露光位置に位置決めする。
また、本発明では、マスク（Ｒ）上に形成されたパターンを、基板（Ｗ）上に転写する露光装置において、物体を照明ビームで照明し、この物体から発生したビームを撮像する観察系（２２Ａ，２２Ｂ）と、マスク（Ｒ）又は基板（Ｗ）上に形成されたマーク（ＲＭ１，ＲＭ２，ＷＦＭ１，ＷＦＭ２）を観察系（２２Ａ，２２Ｂ）を介して撮像し、その撮像信号を信号処理して前記マークの位置に関する位置情報を計測する信号処理手段（１３）と、計測された位置情報に基づいて、マスク（Ｒ）又は基板（Ｗ）を露光位置に位置決めする位置決め手段（２４）とを有し、信号処理手段（１３）は、撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報と、撮像信号とに基づいて、信号処理を行う。
この露光方法及び露光装置によれば、マークの位置情報を精度よく計測することができることから、露光精度を向上させることができる。
また、本発明に係るデバイス製造方法は、上記の露光方法、又は上記の露光装置を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に転写する工程を含む。
このデバイス製造方法によれば、露光精度が高く、パターン精度の向上を図ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に好ましく適用される半導体デバイス製造用の縮小投影型露光装置１０の構成を概略的に示している。この投影露光装置１０は、マスクとしてのレチクルＲと基板としてのウエハＷとを１次元方向に同期移動させつつ、レチクルＲに形成された回路パターンを、ウエハＷ上の各ショット領域に転写する、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置、いわゆるスキャニング・ステッパである。
投影露光装置１０は、光源１２を含む照明系１１、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲに形成されたパターンの像をウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持する基板ステージとしてのウエハステージＷＳＴ、一対の観察手段としてのレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂ、ウエハアライメントセンサ２７、メインフォーカス検出系（６０ａ，６０ｂ）、及び制御系等を備えている。
照明系１１は、例えばエキシマレーザから成る光源１２、ビーム整形用レンズ、及びオプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）等を含む照度均一化光学系１６の他に、照明系開口絞り板（レボルバ）１８、リレー光学系２０、不図示のレチクルブラインド、折り曲げミラー３７、及び不図示のコンデンサレンズ系等を含む。以下、照明系１１の各構成を、その作用とともに説明する。光源１２から射出された照明ビームＩＬ（エキシマレーザ光（ＫｒＦ、ＡｒＦ）等）に対しては、照度均一化光学系１６により、光束の一様化や、スペックルの低減化等が行われる。光源１２のレーザパルスの発光は、後述する主制御装置１３により制御される。なお、光源１２として、超高圧水銀ランプを用いても良い。この場合には、ｇ線、ｉ線等の紫外域の輝線が照明ビームとして用いられるとともに、不図示のシャッタの開閉が、主制御装置１３によって制御される。
照度均一化光学系１６の出口部分には、円板状部材からなる照明系開口絞り板１８が配置されている、この照明系開口絞り板１８には、ほぼ等角度間隔で、例えば、通常の円形開口からなる開口絞り、小さな円形開口からなり、コヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り、輪帯照明用の、輪帯状をなす開口絞り、及び、変形光源法に使用するための、複数の開口を偏心させて配置された変形開口絞り（いずれも図示省略）等が配置されている。この照明系開口絞り板１８は、主制御装置１３により制御されるモータ等の駆動系２４により回転駆動され、これにより、いずれかの開口絞りが、照明ビームＩＬの光路上に選択的に配置される。
照明系開口絞り板１８の後方の照明ビームＩＬの光路上には、不図示のブラインドを介して、リレー光学系２０が設置されている。ブラインドの設置面はレチクルＲと共役関係にある。リレー光学系２０の後方の照明ビームＩＬの光路上には、このリレー光学系２０を通過した照明ビームＩＬをレチクルＲに向けて反射する折り曲げミラー３７が配置され、このミラー３７の後方の照明ビームＩＬの光路上には、不図示のコンデンサレンズが配置されている。照明ビームＩＬは、リレー光学系２０を通過する際に、不図示のブラインドでレチクルＲの照明領域が規定（制限）された後、ミラー３７で垂直下方に折り曲げられ、不図示のコンデンサレンズを介して、レチクルＲの上記照明領域内のパターン領域ＰＡを、均一な照度で照明する。
レチクルＲは、レチクルステージＲＳＴ上に、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、水平面（ＸＹ平面）内で２次元移動可能とされ、レチクルＲがレチクルステージＲＳＴに載置された後、レチクルＲのパターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように、位置決めされる。こうしたレチクルステージＲＳＴの位置決め動作は、主制御装置１３によって不図示の駆動系が制御されることにより行われる。なお、レチクルＲの初期設定のためのレチクルアライメントについては、後に詳述する。また、レチクルＲは図示しないレチクル交換装置により適宜交換されて使用される。
投影光学系ＰＬは、両側テレセントリックな光学配置になるように配置された共通のＺ軸方向の光軸ＡＸを有する複数枚のレンズエレメントから構成されている。また、この投影光学系ＰＬとしては、投影倍率が例えば１／４又は１／５のものが使用されている。このため、上述したように、照明ビームＩＬによりレチクルＲ上の照明領域が照明されると、レチクルＲのパターン面に形成されたパターンが、投影光学系ＰＬによって、表面にレジスト（感光材）が塗布されたウエハＷ上に縮小投影され、ウエハＷ上の一つのショット領域に、レチクルＲの回路パターンの縮小像が転写される。
ウエハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの下方に配設された定盤（ステージ定盤ＢＳ）上に載置されている。このウエハステージＷＳＴは、実際には水平面（ＸＹ面）内を２次元移動可能なＸＹステージと、このＸＹステージ上に搭載され光軸方向（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ等から構成されるが、図１では、これらを代表してウエハステージＷＳＴとして示している。以下の説明中では、このウエハステージＷＳＴは、駆動系２５によってステージ定盤ＢＳの上面に沿ってＸＹ２次元方向に駆動されるとともに微小範囲（例えば１００μｍ程度）内で光軸ＡＸ方向にも駆動されるようになっているものとする。なお、ステージ定盤ＢＳの表面は、平坦に加工されており、且つ低反射率の物質（黒クロム等）により、一様にめっき加工が施されている。
また、ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホルダ５２を介して、ウエハＷが、真空吸着等によって保持されている。ウエハステージＷＳＴの２次元的な位置は、ウエハステージＷＳＴ上に固定された移動鏡５３を介して、レーザ干渉計５６により、所定の分解能（例えば１ｎｍ程度）で常時検出される。このレーザ干渉計５６の出力は主制御装置１３に与えられ、その情報に基づいて、主制御装置１３により、駆動系２５が制御される。このような閉ループの制御系により、例えば、ウエハステージＷＳＴは、ウエハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光（スキャン露光）が終了すると、次のショットに対する露光開始位置までステッピングされる。また、すべてのショット位置に対する露光が終了すると、ウエハＷは、不図示のウエハ交換装置によって他のウエハＷに交換される。なお、ウエハ交換装置は、ウエハステージＷＳＴから外れた位置に配置され、ウエハＷの受け渡しを行うウエハローダ等のウエハ搬送系を備えている。
また、ウエハＷ面のＺ方向の位置は、メインフォーカス検出系により測定される。メインフォーカス検出系としては、投影光学系ＰＬの結像面に向けてピンホールまたはスリットの像を形成するための結像光束もしくは平行光束を光軸ＡＸに対して斜め方向より照射する照射光学系６０ａと、結像光束もしくは平行光束のウエハＷ表面（又は後述する基準板ＷＦＢ表面）での反射光束を受光する受光光学系６０ｂとから成る、斜入射光式の焦点検出系が用いられ、受光光学系６０ｂからの信号が主制御装置１３に供給されている。主制御装置１３では、受光光学系６０ｂからの信号に基づき、常に投影光学系ＰＬの最良結像面にウエハＷの面が来るように、駆動系２５を介してウエハＷのＺ位置を制御する。
制御系は、主制御装置１３によって主に構成される。主制御装置１３は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等から成るいわゆるマイクロコンピュータ（又はミニコンピュータ）によって構成され、露光動作が的確に行われるように、レチクルＲとウエハＷとの位置合わせ（アライメント）、ウエハＷのステッピング、露光タイミング等を統括して制御する。また、主制御装置１３は、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの焦点位置の調整を行なう他、装置全体を統括制御する。
ここで、ウエハアライメントセンサ２７、及びレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂについて詳しく説明する。
ウエハアライメントセンサ２７としては、検出基準となる指標を備え、その指標を基準としてマークの位置を検出する、例えば特開平４−６５６０３号公報等で公知の画像処理方式の結像式センサが用いられる。ウエハステージＷＳＴ上には、後述するレチクルアライメント及びベースライン計測のためのウエハ基準マーク（ウエハフィデューシャルマーク）ＷＦＭ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３等の各種の基準マークが形成された基準板ＷＦＢが設けられている。この基準板ＷＦＢの表面位置（Ｚ方向の位置）は、ウエハＷの表面位置とほぼ同一とされている。ウエハアライメントセンサ２７は、この基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ及びウエハＷ上のウエハアライメントマークの位置を検出し、その検出結果を主制御装置１３に供給する。なお、ウエハアライメントセンサとして、例えば特開平１０−１４１９１５号公報等で公知のレーザスキャン式センサや、レーザ干渉式センサ等の他の方式のものを用いてもよい。
レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂは、それぞれ、検出用照明をレチクルＲに導くアライメント照明系、比較的に粗い検出を実施するためのサーチ観察系、及び比較的に精密な検出を実施するためのファイン観察系等からなる。
図２に、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａの構成を代表的に示す。なお、他方のレチクルアライメント顕微鏡２２Ｂも同様の構成及び機能を備えているので、ここではその説明を省略する。
図２において、アライメント照明系は、検出用照明として露光光（照明ビームＩＬ；図１参照）を用い、この露光光（照明ビームＩＬ）の一部の光束をミラー等で分岐させた後、光ファイバを用いてレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ内に導き、さらにその光束を、レチクルＲ上に導く。より具体的には、アライメント照明系は、可動ミラー８２、集光レンズ８３、結像レンズ８４、偏向ミラー８５等を含み、ハーフミラー８６によりファイン観察系及びサーチ観察系に接続されている。
可動ミラー８２は、照明ビームＩＬの光路を切り換えるためのミラーであり、照明ビームＩＬを反射させない第１の位置と照明ビームＩＬを反射させる第２の位置との間で移動可能である。可動ミラー８２が第１の位置にあるときには、ウエハ露光用の光路が得られ、可動ミラー８２が第２の位置にあるときには、アライメント用の光路が得られるようになっている。可動ミラー８２の位置は、主制御装置１３により選択される。
また、落斜ミラー３０Ａは、図２中の矢印Ａ−Ａ’の方向に、照明位置と退避位置との間を移動自在に配置されている。主制御装置１３は、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを用いてアライメントを行う際には、不図示の駆動系を介して落斜ミラー３０Ａを矢印Ａ方向に駆動して図２に示される照明位置に位置決めし、アライメントが終了すると、露光の際に邪魔にならないように、不図示の駆動系を介して落斜ミラー３０Ａを矢印Ａ’方向に駆動して、所定の退避位置に退避させる。
アライメント照明系により導かれた照明ビームは、落斜ミラー３０Ａを介してレチクルマークＲＭ１を照明するとともに、レチクルＲ及び投影光学系ＰＬを介して基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１を照明する。レチクルマークＲＭ１及びウエハ基準マークＷＦＭ１からの反射ビームは、落斜ミラー３０Ａでそれぞれ反射され、それらの反射ビームは、サーチ観察系及びファイン観察系に入射する。
サーチ観察系は、落斜ミラー３０Ａ、第１対物レンズ７２、ハーフミラー７３、偏向ミラー７４及び第２対物レンズ７５等を含むサーチ光学系とサーチ観察用カメラ７６とを含む。ファイン観察系は、落斜ミラー３０Ａ、第１対物レンズ７２、第２対物レンズ７７等を含むファイン光学系とファイン観察用カメラ７８とを含む。サーチ観察用カメラ７６及びファイン観察用カメラ７８として、本実施形態では、ＣＣＤ等の撮像素子をそれぞれ用いる。また、サーチ観察用カメラ７６としては低感度のものを、ファイン観察用カメラ７８としては高感度のものが用いられる。さらに、サーチ光学系では、拡大倍率が低く、開口数（Ｎ．Ａ．）が小さく設定されており、ファイン光学系では、拡大倍率が高く、開口数が大きく設定されている。サーチ観察用カメラ７６及びファイン観察用カメラ７８の撮像信号（光電変換信号）は、主制御装置１３に供給される。
上記構成を有する本実施形態の露光装置１０において、レチクルＲの位置決め（アライメント）を行う際には、主制御装置１３により可動ミラー８２を第２の位置に設定し、アライメント照明系を介してレチクルＲのレチクルマークＲＭ１を照明する。レチクルＲ及び基準板ＷＦＢでの反射ビームは、サーチ光学系を介してサーチ観察用カメラ７６に入射し、レチクルマークＲＭ１、及びウエハ基準マークＷＦＭ１の像が、同時にサーチ観察用カメラ７６の受光面に結像される。また、レチクルＲ及び基準板ＷＦＢでの反射ビームは、ファイン光学系を介してファイン観察用カメラ７８に入射し、レチクルマークＲＭ、及びウエハ基準マークＷＦＭ１の像が、同時にファイン観察用カメラ７８の受光面に結像される。
図３は、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２の構成の例を示し、図４は、ウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３の構成の例を示している。これらレチクルマークＲＭやウエハ基準マークＷＦＭの具体的な形状は特に限定されないが、同図に示すように、二次元方向の位置ずれ量を検知することができるような二次元マークであることが好ましい。
レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２（以下、必要に応じて、レチクルマークＲＭと総称する）は、レチクルＲの下方に配される面におけるパターン領域の外側に設けられており、例えばパターンジェネレータやＥＢ露光装置といった装置により、設計データに基づき、レチクルＲの母材であるガラス板上に転写され、クロムからなる遮光部として、所定の形状に形成されている。図３に示す例では、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２は、それぞれ、十字状のマーク要素と矩形状のマーク要素とを組み合わせて構成されている。
ウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３（以下、必要に応じウエハ基準マークＷＦＭと総称する）は、ガラスで形成された下地領域上にクロムでマーク要素を配列させることにより構成される。図４に示す例では、ウエハ基準マークＷＦ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３はそれぞれ、Ｙ軸方向に延びた直線状のラインパターンがＸ軸方向に周期的に配列されたマーク要素と、Ｘ軸方向に延びた直線状のラインパターンがＹ軸方向に周期的に配列されたマーク要素とを含んで構成されている。なお、ウエハ基準マークＷＦＭとして、クロムで形成された下地領域上にガラスでマーク要素を形成してもよい。また、本実施形態では、ウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３が形成された基準板ＷＦＢをウエハステージＷＳＴ（図１参照）上に設けているが、この基準板ＷＦＢは、ステージ定盤ＢＳ上であれば他の位置（例えばウエハホルダ５２上や移動鏡５３上等）にあってもよい。
図５は、サーチ観察用カメラ７６又はファイン観察用カメラ７８の受光面に同時に結像されたレチクルマークＲＭ及びウエハ基準マークＷＦＭの像、並びにファイン観察用カメラ７８で撮像した撮像信号（光電変換信号）を示す図である。なお、ファイン観察用カメラ７８は、Ｘ軸用及びＹ軸用のカメラをそれぞれ有し、Ｘ軸用及びＹ軸用のカメラはそれぞれ、予め規定された撮像領域ＰＦｘ，ＰＦｙ内の像を撮像する。本実施形態では、前述したように、レチクルマークＲＭ及びウエハ基準マークＷＦＭの各マーク要素がクロムで形成されていることから、そのマーク要素で反射したビームの強度が強く、その結果、これらのマーク要素に対応する部分で信号強度（Ｖｘ，Ｖｙ）が凸形状となる信号波形データが得られる。
レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂのそれぞれのサーチ観察用カメラ７６又はファイン観察用カメラ７８は、レチクルマークＲＭの像とウエハ基準マークＷＦＭの像とをそれぞれ撮像すると、二次元方向に光電変換信号を検出して、主制御装置１３に供給する。主制御装置１３は、これらレチクルマークＲＭとウエハ基準マークＷＦＭとの相対的な位置関係を所定のアルゴリズムに基づいて算出すると、その算出結果に基づいて、レチクルＲの位置及び姿勢を調整する（レチクルアライメント）。また、レチクルアライメントでは、サーチ観察系の観察結果に基づいて、比較的に粗くレチクルＲを位置決めした後に、ファイン観察系の観察結果に基づいて、精密なレチクルＲの位置決めを行う。
図６は、レチクルアライメントに伴うマークの位置計測動作、特に、上記ファイン観察系を用いたレチクルの位置決め処理（ファインアライメント処理）に伴うマークの位置計測動作の手順の一例を示すフローチャート図である。
本実施形態の位置計測動作では、マークを実際に撮像した信号を信号処理する前に、その信号に含まれるノイズを予め計測し、その計測結果を信号処理に用いる。以下、図６を参照して、ファインアライメント処理に伴うマークの位置計測動作について説明する。
この場合、前提として、レチクルＲが、不図示のレチクル交換装置を介してレチクルステージＲＳＴ上に搭載された後、予め、サーチ観察系を用いたサーチアライメント処理により、レチクルＲのラフな位置決めが行われている。
まず、主制御装置１３では、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの撮像信号に含まれるノイズの光量非依存成分を計測する（ステップ１００）。ノイズの光量非依存成分の計測は、照明ビームがレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂで観察されない状態において行う。具体的には、主制御装置１３では、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂにおける可動ミラー８２を第１の位置とし、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２に対する照明を行わない状態で、観察用カメラ７８の信号を取得する。なお、照明ビームが観察されない状態を得るためには、上述した可動ミラー８２を制御する方法に限らず、他の手段で照明ビームの光路を遮ってもよく、光源の出力を制御してもよい。
照明ビームがレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂ（観察用カメラ７８）で観察されない状態で、観察用カメラ７８の信号を取得することにより、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂにおけるノイズの光量非依存成分を計測できる。このノイズ成分は、主として、観察用カメラ７８の暗電流成分である。主制御装置１３では、上述したノイズの光量非依存成分を計測すると、その情報を記憶する。
次に、主制御装置１３では、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの撮像信号に含まれるノイズの光量依存成分を計測する（ステップ１０１）。ノイズの光量依存成分の計測は、レチクルＲ及び基準板ＷＦＢ上で、それぞれレチクルマークＲＭ、及びウエハ基準マークＷＦＭが形成されたマーク領域とは異なる非マーク領域を照明ビームで照明し、この非マーク領域を、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを介して撮像することにより行う。より具体的には、主制御装置１３では、予め定められた設計値に基づいて、上記非マーク領域がレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察位置に位置するように、駆動系を介して、レチクルステージＲＳＴ、及びウエハステージＷＳＴを移動させ、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを用いて、レチクルＲ、及びウエハ基準板ＷＦＢ上の非マーク領域を観察する。
上記非マーク領域は、レチクルマークＲＭ、及びウエハ基準マークＷＦＭの各マークパターンが形成されたそれぞれの下地領域と同じ材質からなる。この非マーク領域から発生したビームを観察した信号を取得することにより、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂにおけるノイズの光量依存成分を計測できる。このノイズ成分は、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂをビームが通過することに起因して生じるもので、その発生起因としては、例えば、観察用カメラ７６，７８のカバーガラスや、ハーフミラー７３，８６で生じる干渉縞、あるいは観察用カメラ７６，７８における複数の画素の間の感度ばらつきなどが挙げられる。こうしたノイズ成分は、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを通過するビームの光量にほぼ比例して変化し、ビームの光量が大きいほど大きくなる傾向にある。主制御装置１３では、上述したノイズの光量依存成分を計測すると、その情報を記憶する。
上記ノイズ（光量非依存成分、光量依存成分）を計測するタイミングは、マークの撮像信号を信号処理する前であれば、任意のタイミングで実施可能である。例えば、所定の期間ごとに実施してもよく、装置立ち上げ時ごとに実施してもよい。あるいは、上記ノイズに影響を及ぼす環境因子を計測し、その計測結果に基づいて、ノイズの計測タイミングを決定してもよい。この場合、ノイズに影響を及ぼす環境因子の例としては、雰囲気温度、気圧、装置温度などがある。例えば、上述した暗電流成分（光量非依存成分）は、温度に応じて変化する傾向にあることから、観察用カメラ（撮像素子）の温度あるいはその周辺温度を温度センサを用いて定期的に計測しておき、温度変化が所定の許容値を超えた場合に、ノイズの光量非依存成分を再計測してもよい。同様に、例えば、上述した観察用カメラのカバーガラスやハーフミラーは温度や気圧に応じてわずかに変形し、それに伴い、ノイズの光量依存成分が変化する可能性がある。そのため、それらの物体の温度あるいはその周辺温度を定期的に計測しておき、温度変化が所定の許容値を超えた場合に、ノイズの光量依存成分を再計測してもよい。このように、ノイズに影響を及ぼす環境因子の計測結果に基づいてノイズの再計測を行うことにより、長期に渡り安定した位置計測が可能となる。なお、光量非依存成分は必ずしも先に計測せずともよく、光量依存成分を先に計測してもよい。
また、光量依存成分の経時変化特性に応じて、ノイズを再計測することも好ましい。すなわち、光量依存成分が経時変化する特性を有する場合、この経時変化分が誤差となるが、経時変化に対して充分小さい時間間隔でノイズを再計測すれば、経時変化分の誤差をキャンセルすることができる。光量依存成分に経時変化が無い場合には、一度計測した結果を継続的に使用しても良い。
また、上記ノイズ（光量非依存成分、光量依存成分）の計測を複数回繰り返して行い、その複数回の計測結果を用いて信号処理を行ってもよい。すなわち、ノイズの計測にあたっては、電気系のランダムノイズなど、レチクルアライメント顕微鏡に直接起因しない外的な要因で生じるノイズを含む可能性がある。そこで、複数回繰り返して上記ノイズ（光量非依存成分、光量依存成分）の計測を行い、その複数回の計測結果を例えば平均化することにより、ノイズの計測誤差が軽減される。
次に、主制御装置１３では、実際にマークを観察し、その撮像信号を取得する（ステップ１０２）。すなわち、主制御装置１３では、予め定められた設計値に基づいて、基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２の中心点が投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ上に位置するように、レーザ干渉計５６の出力をモニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを移動させる。続いて、主制御装置１３では、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを用いて、照明ビームをレチクルＲに導くとともに、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２及び基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２を同時に観察する。
次に、主制御装置１３では、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２及びウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２を同時観察した結果と、前述したノイズの計測結果とに基づいて、所定のアルゴリズムで信号処理を行い、両マークＲＭ１、ＷＦＭ１の相対的な位置関係、及び両マークＲＭ２、ＷＦＭ２の相対的な位置関係を計測する（ステップ１０３）。本実施形態では、位置算出用の信号処理に、ノイズの計測結果を用いることで、計測精度の向上が図られる。
図７Ａ及び図７Ｂは、撮像信号に含まれるノイズがマークの位置計測に与える影響を説明するための図である。
図７Ａは、ノイズを含まない理想的なマークの信号波形を示している。マークの位置計測に際しては、例えば、撮像信号のマーク頂上部Ｔの強度と図中マーク頂上部Ｔより左側のベース部Ｂ１とからマークの信号波形の振幅を求め、その振幅からスライスレベルＳＬ１を決定する。また、撮像信号のマーク頂上部Ｔの強度と図中マーク頂上部Ｔより右側のベース部Ｂ２とからマークの信号波形の振幅を求め、その振幅からスライスレベルＳＬ２を決定する。そして、図中マーク頂上部Ｔより左側の信号波形とスライスレベルＳＬ１との交点ａ１を求め、図中マーク頂上部Ｔより右側の信号波形とスライスレベルＳＬ２との交点ａ２を求め、これら交点ａ１とａ２との中点ｃをマークの中心とする。なお、レチクルマーク中心位置と、ウエハ基準マークの中心位置とから、両マークの相対位置関係を求めることができる。
これに対して、図７Ｂに示すように撮像信号にノイズＮが含まれる場合、ノイズＮの影響によって図中マーク頂上部Ｔ左側のベース部が変化し（Ｂ１→Ｂ１’）、このためスライスレベルが変化し（ＳＬ１→ＳＬ１’）、図中頂上部Ｔ左側の信号波形とスライスレベルＳＬ１’との交点も変化するため（ａ１→ａ１’）、交点間の中点もａ１とａ２との中点ｃからａ１’とａ２との中点ｃ’に変化し、計測誤差が生じる。よって、マークを実際に観察したときの撮像信号（光電変換信号）からその撮像信号に含まれるノイズを除去あるいは軽減することにより、こうした計測誤差の発生を抑制し、計測精度の向上を図ることができる。なお、上記したマークの中心位置を求める方法は一例であって、本発明はこれに限定されない。
信号処理のアルゴリズムは、撮像信号に含まれるノイズ成分の大きさや度合いに応じて定めるとよい。撮像信号からノイズの光量非依存成分を減算する処理を行うことにより、観察用カメラ７８の暗電流成分などのノイズの光量非依存成の影響が除去または軽減される。また、撮像信号に対してノイズの光量依存成分を減算又は除算する処理を行うことにより、ビームの干渉や撮像素子の複数の画素間の感度ばらつきなどのノイズの光量依存成分の影響が除去または軽減される。なお、ノイズの光量依存成分は、撮像用ビームの光量にほぼ比例して変化するため、撮像信号に対してノイズの光量依存成分を除算処理することにより、減算処理する場合に比べて、より正確にノイズの光量依存成分の影響を補正できる。
以上説明した一連の位置計測動作により、撮像信号にノイズが含まれる場合にも、そのノイズの影響が補正され、レチクルマークとウエハ基準マークとの相対的な位置関係を精度よく計測することができる。
なお、レチクルＲの初期設定として、上記相対的位置関係の計測結果に基づいて、投影光学系ＰＬに対するレチクルＲの位置決め、すなわちレチクルアライメントを行うことができる。
また、この相対位置計測と同時に、ウエハアライメントセンサ２７を用いて基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ３を観察し、ウエハ基準マークＷＦＭ３とウエハアライメントセンサ２７の指標との相対位置関係を計測することにより、いわゆるベースライン量を算出することができる。すなわち、基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３は、予め定められた設計上の位置関係に対応する位置にそれぞれ形成されているので、設計上の配置情報と上述した動作により求められた相対位置関係とから、レチクルＲのパターンの投影位置とウエハアライメントセンサ２７の指標との相対距離（ベースライン量）を算出することができる。
上記レチクルアライメント及びベースライン計測の後、主制御装置１３では、ウエハＷ上の複数ショット領域に付設されたウエハアライメントマークの位置をウエハアライメントセンサ２７を用いて順次計測し、いわゆるＥＧＡ（エンハンストグローバルアライメント）の手法により、ウエハＷ上の全てのショット配列データを求める。そして、この配列データに従って、ウエハＷ上のショット領城を投影光学系ＰＬの真下（露光位置）に順次位置決めしつつ、光源１２のレーザ発光を制御して、いわゆるステップアンドリピート方式で露光を行う。なお、ＥＧＡ等については、特開昭６１−４４４２９号公報等で公知であるから、ここでは詳細な説明を省略する。
次に、上記実施形態で説明したマークの位置計測動作に基づいて、マークの撮像信号の信号処理を行った実施例について以下に説明する。
図８Ａは、マーク（レチクルマーク及びウエハ基準マーク）を観察カメラで観察した際の撮像信号（光電変換信号）を示し、図８Ｂは、その撮像信号に含まれるノイズの光量非依存成分を計測した際の信号波形データを、図８Ｃは、ノイズの光量依存成分を計測した際の信号波形データをそれぞれ示している。また、図９〜図１１は、図８Ａに示した撮像信号に対して所定のアルゴリズムに基づいて信号処理を行った波形データを示している。
ここで、以下の説明において、マークの信号波形データ（マークの撮像信号）；Ｄｍ、ノイズの光量非依存成分を示す信号波形データ；Ｄｎｂ、ノイズの光量依存成分を示す信号波形データ；Ｄｎａ、信号処理後の信号波形データ；Ｄ、とする。
（実施例１）
図９は、下記の式（１）に示す信号処理を行った波形データを示している。
Ｄ＝（Ｄｍ−Ｄｎｂ）／（Ｄｎａ−Ｄｎｂ） …（１）
すなわち、この例では、ノイズ補正用のアルゴリズムとして、マークの信号波形データ（Ｄｍ）からノイズの光量非依存成分の信号波形データ（Ｄｎｂ）を減算した処理結果に対して、ノイズの光量依存成分の信号波形データ（Ｄｎａ）から光量非依存成分の信号波形データ（Ｄｎｂ）を減算した処理結果を除算処理した。その結果、マークの撮像信号に対するノイズの影響が良好に補正された。
（実施例２）
図１０は、下記の式（２）に示す信号処理を行った波形データを示している。
Ｄ＝（Ｄｍ−Ｄｎｂ） …（２）
すなわち、この例では、ノイズ補正用のアルゴリズムとして、マークの信号波形データ（Ｄｍ）からノイズの光量非依存成分を減算処理した。その結果、マークの撮像信号に対するノイズ（光量非依存成分）の影響が良好に補正された。本例は、ノイズに含まれる光量非依存成分が多く、光量依存成分が少ない場合に好ましく適用される。なお、本例では、上記の式（１）に示した処理アルゴリズムに比べて簡易な演算処理で済むため、高いスループットが得られる。
（実施例３）
図１１は、下記の式（３）に示し信号処理を行った波形データを示している。
Ｄ＝（Ｄｍ−Ｄｎａ） …（３）
すなわち、この例では、ノイズ補正用のアルゴリズムとして、マークの信号波形データ（Ｄｍ）からノイズの光量依存成分を減算処理した。その結果、マークの撮像信号に対するノイズ（光量非依存成分）の影響が良好に補正された。本例は、ノイズに含まれる光量依存成分が多く、光量非依存成分が少ない場合に好ましく適用される。なお、本例においても、上記式（１）に示した処理アルゴリズムに比べて簡易な演算処理で済むため、高いスループットが得られる。
このように、いずれの実施例においても、マークの撮像信号に対するノイズの影響が良好に補正される。そのため、この処理波形データを用いることにより、マークの位置計測精度の向上を図り、精度よく露光処理を行うことができる。
なお、ノイズ補正用のアルゴリズムは、上記式（１）〜（３）に示したものに限らない。例えば、下記の式（４）のように信号処理を行ってもよい。
Ｄ＝（Ｄｍ／Ｄｎａ） …（４）
すなわち、ノイズ補正用のアルゴリズムとして、マークの信号波形データ（Ｄｍ）に対してノイズの光量依存成分を除算処理してもよい。
図１２は、マークの位置計測動作の他の実施形態の例を示している。
本実施形態では、ノイズの光量依存成分を計測する際、前述した実施形態で示した非マーク領域を観察するのではなく、マークに含まれる複数のマーク要素のうち、計測対象を除くマーク要素を照明ビームで照明し、その観察結果からノイズの光量依存成分を計測する。
すなわち、図１２に示すように、Ｘ軸方向の位置計測に際して、非計測対象となるＸ軸方向に延びるマーク要素Ｍｘ１のみを含む観察領域ＰＦｘを照明し、その観察結果からノイズの光量依存成分を計測する。また、Ｙ軸方向の位置計測に際して、非計測対象となるＹ軸方向に延びるマーク要素Ｍｙ１のみを含む観察領域ＰＦｙを照明し、その観察結果からノイズの光量依存成分を計測する。そして、そのノイズ成分の計測結果を用いて、マークのＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの位置情報を計測する。ノイズに非計測方向の場所依存性がある場合、非マーク領域を観察しただけでは、非計測対象のマーク要素で反射したビームによって生じるノイズを計測できない可能性がある。これに対し、できるだけ実際のマーク計測に近い状態でノイズ成分を計測することにより、ノイズの影響をより正確に位置計測に反映することができる。
ところで、近年、集積回路の高密度集積化、すなわち回路パターンの微細化に伴い、マスク技術に対する要求が高まっており、様々な特性を有するマスクが用いられるようになっている。
そのため、マスクによっては、マスクマークから発生するビームの強度が弱くなり、マスクマークの像を十分なコントラストで観察できない場合がある。例えば、高反射レチクルと呼ばれるレチクル（マスク）は、一般的な照明ビームに対するマスクマークの反射率が高く、比較的高いコントラストでマスクマークが観察されるのに対し、低反射レチクルあるいはハーフトーンレチクルと呼ばれるレチクル（マスク）は、上記照明ビームに対するマスクマークの反射率が低いため、マスクマークからの反射ビームを用いてマスクマークを観察しようとしても、その反射ビームの強度が弱く、低いコントラストでマスクマークが観察される傾向にある。観察されるマスクマークのコントラストが低いと、マーク位置の計測精度の低下を招く可能性がある。さらに、マスクマークに対して観察系の焦点状態を調節する際にも誤差が生じやすい。
この問題に関して、本願出願人は本願より先の特許出願である特願平２０００−３７５７９８号において、この問題を解決する発明を提案している。
前記先の特許出願に記載された発明（以下、先願発明と呼称する）では、前述の図４に示したウエハ基準マークとして、図１３に示すようなウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３を用いる。ウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３は、上述した照明ビームＩＬに対する反射率特性が互いに異なる複数のマークを含んでいる。具体的には、ウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３は、ガラスで形成された下地領域上にクロムでマークパターンＭＰａが形成された第１基準マークＦＭａと、クロムで形成された下地領域上にガラスでマークパターンＭＰｂが形成された第２基準マークＦＭｂとからなる。マークパターンＭＰａとマークパターンＭＰｂとは、上述したように材質は異なるものの、互いに同一形状に形成され、所定の方向（例えばＹ方向）に所定の距離を互いに離間して基準板ＷＦＢ’上に配置されている。前述したレチクルアライメント及びベースラインの計測に際しては、これらの複数の基準マークＦＭａ，ＦＭｂのうちのいずれかが選択的にレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内に位置決めされて観察される。
次に、上記した先願発明による重ね合わせ露光時の動作について、特にベースライン計測に伴う動作について説明する。
この場合、前提として、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが載置され、ウエハＷ上には、それまでの工程で、既にパターンが形成されており、このパターンとともに不図示のウエハアライメントマークも形成されている。
まず、主制御装置１３では、予め定められた設計値に基づいて、落斜ミラー３０Ａ，３０Ｂを移動させ、その観察視野内にレチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２を位置決めする。
また、主制御装置１３では、予め定められた設計値に基づいて、基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３の中心点が投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ上に位置するように、レーザ干渉計５６の出力をモニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを移動させる。このとき、主制御装置１３では、照明ビームＩＬ（検出用照明としての露光光）に対するレチクルＲの反射率特性に基づいて、駆動系２５を介して、各ウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３に含まれる複数の基準マークＦＭａ，ＦＭｂ（図１３参照）のうちのいずれかを、選択的にレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内に位置決めする。
具体的には、例えば高反射レチクル（例えば、マークの反射率が３０パーセント程度）など、レチクルステージＲＳＴに載置されているレチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２の反射率が所定の反射率以上の場合には、駆動系２５はウエハステージＷＳＴを移動させて、複数の基準マークＦＭａ，ＦＭｂのうちの第１基準マークＦＭａを、その観察視野内に選択的に位置決めする。逆に、例えば低反射レチクル（例えば、マークの反射率が５〜１０％程度）やハーフトーンレチクル（例えば、マークの反射率が５〜１０％程度）など、レチクルステージＲＳＴに載置されているレチクルＲのレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２の反射率が所定の反射率よりも小さい場合には、駆動系２５は、第２基準マークＦＭｂを、その観察視野内に選択的に位置決めする。なお、選択基準となる反射率は、レチクルマークとウエハ基準マークとを同時に観察したときに、レチクルマークのコントラストが高くなるように設定される。また、反射率特性など、レチクル固有の特性に関する情報は、各レチクルごとに対応づけて主制御装置１３に予め記憶されている。
そして、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを用いて、照明ビームＩＬをレチクルＲ上に導くとともに、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２及び基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３を同時に観察する。このとき、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２の反射率が高く、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内に第１基準マークＦＭａが配される場合には、反射ビームとして、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２から比較的強いビームが発生するとともに、第１基準マークＦＭａにおけるガラスの下地領域からは比較的強度の弱いビームが発生する。そのため、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２から発生したビームは明るく観察され、ウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２の下地領域から発生したビームはレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２よりも暗く観察される。これにより、高いコントラストでレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２が観察される。逆に、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２の反射率が低く、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内に第２基準マークＦＭｂが配される場合には、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２から発生する反射ビームの強度は比較的弱いものの、第２基準マークＦＭｂにおけるクロムの下地領域から比較的強いビームが発生する。そのため、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２から発生したビームは暗く観察され、ウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２の下地領域から発生したビームはレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２よりも明るく観察される。つまり、この場合においても、高いコントラストでレチクルマークＲＭ、ＲＭ２が観察される。
以上説明したような先願発明においても、本発明を適用することが好ましい。すなわち、図１３の第１基準マークＦＭａに対するノイズの光量依存成分と第２基準マークＦＭｂに対するノイズの光量依存成分との両方を予め計測しておき、第１基準マークＦＭａと第２基準マークＦＭｂとのいずれが選択されるかに応じて、予め記憶してあった二種類のノイズの光量依存成分を選択的に用いて信号を補正すれば良い。
また、実際の装置では、図１３のような第１基準マークＦＭａと第２基準マークＦＭｂとを含むウエハ基準マーク１１，１２，１３のうちの複数を用いて計測を行う場合があるが、この際にマークの製造誤差が計測結果に影響を及ぼす可能性がある。以下では、説明を簡潔にするため、例えば「ウエハ基準マークＷＦＭ１１の第１基準マークＦＭａ」を「ＦＭ１１ａ」と表記することとする。
例えば、ＦＭ１１ａ、ＦＭ１２ａ、ＦＭ１３ａの相対位置関係と、ＦＭ１１ｂ、ＦＭ１２ｂ、ＦＭ１３ｂの相対位置関係とがマーク製造誤差により不一致である場合、ガラスの下地領域を持つマークＦＭａを用いて計測するか、クロムの下地領城を持つマークＦＭｂを用いて計測するかによって、計測結果に差が生じる。
この問題に対処するには、ＦＭ１１ａ、ＦＭ１２ａ、ＦＭ１３ａの相対位置関係とＦＭ１１ｂ、ＦＭ１２ｂ、ＦＭ１３ｂの相対位置関係との間の差をオフセットとして記憶しておき、ガラスの下地マークＦＭａを用いて計測するか、クロムの下地マークＦＭｂを用いて計測するか、に応じて、位置計測結果にそのオフセットを加えるようにすれば良い。
さらには、ガラス下地マーク間の相対位置関係（ＦＭ１１ａ、ＦＭ１２ａ、ＦＭ１３ａの相対位置関係）とクロム下地マーク間の相対位置関係（ＦＭ１１ｂ、ＦＭ１２ｂ、ＦＭ１３ｂの相対位置関係）との間の製造誤差のみならず、ガラス下地マーク内での製造誤差、すなわち、ＦＭ１１ａ、ＦＭ１２ａ、ＦＭ１３ａのマーク自体の製造誤差も、アライメント計測結果に影響を及ぼす。
例えば、図１３には４つのマークパターンＭＰａが示されているが、向かい合う２つのマークパターンＭｐａの間隔は、ウエハ基準マークＷＦＭ１１のＦＭａとウエハ基準マークＷＦＭ１２のＦＭａとでは、製造誤差の影響により、間隔が異なる場合がある。このため、ウエハ基準マークＷＦＭ１１，１２，１３のいずれを用いて計測を行うかによって、計測結果に差が生じる。
この問題に対処するには、ウエハ基準マークＷＦＭ１１のＦＭａ、ウエハ基準マークＷＦＭ１２のＦＭａ、ウエハ基準マークＷＦＭ１３のＦＭａ、それぞれのマークパターン間の距離を予め計測して記憶しておき、いずれのマークを用いたかに応じて、予め記憶したマークパターン間の距離情報を用いて計測結果を補正するのが好ましい。なお、クロム下地マーク内での製造誤差に関しても同様の対処をするのが好ましい。
図１４は、本発明の一実施形態による露光装置を用いたマイクロデバイス（半導体デバイス）の生産のフローチャートである。図１４に示すように、まず、ステップＳ２００（設計ステップ）において、デバイスの機能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップＳ２０１（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンに基づいて、マスクを製作する。一方、ステップＳ２０２（ウエハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
次に、ステップＳ２０３（ウエハプロセスステップ）において、ステップＳ２００〜ステップＳ２０２で用意したマスクとウエハを使用して、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ２０４（組立ステップ）において、ステップＳ２０３において処理されたウエハをチップ化する。このステップＳ２０４には、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程が含まれる。最後に、ステップＳ２０５（検査ステップ）において、ステップＳ２０４で作製されたデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、出荷される。
以上、図面を参照しながら本発明に係る好適な実施例について説明したが、本発明はこれらの例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかである。したがって、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、本発明に係る位置計測方法は、露光が正確に行われたかどうかを評価するための位置ずれ計測や、パターン像が描画されているフォトマスクの描画精度の計測にも適用できる。
また、ウエハやレチクル、基準板などに形成されるマークの数や配置位置、及び形状は任意に定めてよい。基板上のマークは１次元マーク及び２次元マークのいずれでもよい。
また、本発明が適用される露光装置は、露光用照明ビームに対してマスク（レチクル）と基板（ウエハ）とをそれぞれ相対移動する走査露光方式（例えば、ステップ・アンド・スキャン方式など）に限られるものではなく、マスクと基板とをほぼ静止させた状態でマスクのパターンを基板上に転写する静止露光方式、例えばステップ・アンド・リピート方式などでもよい。さらに、基板上で周辺部が重なる複数のショット領域にそれぞれパターンを転写するステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置などに対しても本発明を適用することができる。また、投影光学系ＰＬは縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれでもよいし、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれでもよい。さらに、投影光学系を用いない、例えばプロキシミティ方式の露光装置などに対しても本発明を適用できる。
また、本発明が適用される露光装置は、露光用照明光としてｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｆ_２レーザ光、及びＡｒ_２レーザ光などの紫外光だけでなく、例えばＥＵＶ光、Ｘ線、あるいは電子線やイオンビームなどの荷電粒子線などを用いてもよい。さらに、露光用光源は水銀ランプやエキシマレーザだけでなく、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザなどの高調波発生装置、ＳＯＲ、レーザプラズマ光源、電子銃などでもよい。
また、本発明が適用される露光装置は、半導体デバイス製造用に限られるものではなく、液晶表示素子、ディスプレイ装置、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどのマイクロデバイス（電子デバイス）製造用、露光装置で用いられるフォトマスクやレチクルの製造用などでもよい。
また、本発明は、これらの露光装置だけでなく、デバイス製造工程で使用される他の製造装置（検査装置などを含む）に対しても適用することができる。
また、上述したウエハステージやレチクルステージにリニアモータを用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁気浮上型のどちらを用いてもよい。また、ステージは、ガイドに沿って移動するタイプでもいいし、ガイドを設けないガイドレスタイプでもよい。さらに、ステージの駆動系として平面モータを用いる場合、磁石ユニット（永久磁石）と電機子ユニットのいずれか一方をステージに接続し、磁石ユニットと電機子ユニットの他方をステージの移動面側（定盤、ベース）に設ければよい。
また、ウエハステージの移動により発生する反力は、特開平８−１６６４７５号公報に記載されているように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。本発明は、このような構造を備えた露光装置においても適用可能である。
また、レチクルステージの移動により発生する反力は、特開平８−３３０２２４号公報に記載されているように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。本発明は、このような構造を備えた露光装置においても適用可能である。
また、本発明が適用される露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系に対しては光学的精度を達成するための調整、各種機械系に対しては機械的精度を達成するための調整、各種電気系に対しては電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程には、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は、温湿度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、半導体デバイス製造用の縮小投影型露光装置の構成を概略的に示す図である。
図２は、レチクルアライメント顕微鏡の構成を示す図である。
図３は、レチクルマークの構成例を示す図である。
図４は、ウエハ基準マークの構成例を示す図である。
図５は、観察用カメラの受光面に同時に結像されたレチクルマーク及びウエハ基準マークの像、並びにその撮像信号（光電変換信号）を示す図である。
図６は、マークの位置計測動作の手順の一例を示すフローチャート図である。
図７Ａは、撮像信号に含まれるノイズがマークの位置計測に与える影響を説明するための図である。
図７Ｂは、撮像信号に含まれるノイズがマークの位置計測に与える影響を説明するための図である。
図８Ａは、マーク（レチクルマーク及びウエハ基準マーク）を観察カメラで観察した際の撮像信号（光電変換信号）を示す図である。
図８Ｂは、図８Ａに示す撮像信号に含まれるノイズの光量非依存成分を計測した際の信号波形データを示す図である。
図８Ｃは、図８Ａに示す撮像信号に含まれるノイズの光量依存成分を計測した際の信号波形データを示す図である。。
図９は、図８Ａに示す撮像信号に対して所定のアルゴリズムに基づいて信号処理を行った波形データを示す図である。
図１０は、図８Ａに示す撮像信号に対して所定のアルゴリズムに基づいて信号処理を行った波形データを示す図である。
図１１は、図８Ａに示す撮像信号に対して所定のアルゴリズムに基づいて信号処理を行った波形データを示す図である。
図１２は、マークの位置計測動作の他の実施形態の例を示す図である。
図１３は、マークの位置計測動作の別の実施形態の例を示す図である。
図１４は、本発明の一実施形態による露光装置を用いたマイクロデバイスの生産のフローチャート図である。

Claims (44)

1. 物体上に形成されたマークを照明ビームで照明し、このマークから発生したビームを観察系を介して撮像し、その撮像信号を信号処理して前記マークの位置に関する位置情報を計測する位置計測方法において、
   前記撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報と、前記撮像信号とに基づいて、前記信号処理を行う位置計測方法。
2. 前記光量依存成分を含んだノイズを、前記撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測する請求項１に記載の位置計測方法。
3. 前記光量依存成分の経時変化特性に応じて、前記ノイズの再計測を行う請求項２に記載の位置計測方法。
4. 前記光量依存成分を含んだノイズの計測では、前記物体上で前記マークが形成されたマーク領域とは異なる非マーク領域を前記照明ビームで照明し、この非マーク領域を前記観察系を介して撮像する請求項２に記載の位置計測方法。
5. 前記マークが複数のマーク要素を含み、前記複数のマーク要素のうち、計測対象を除くマーク要素を含む領域を前記照明ビームで照明し、前記ノイズの光量依存成分を計測する請求項２に記載の位置計測方法。
6. 前記ノイズに影響を及ぼす環境因子を計測し、その計測結果に基づいて、前記ノイズの再計測を行う請求項２に記載の位置計測方法。
7. 前記光量依存成分を含んだノイズが、前記マークから発生したビームが前記観察系を通過することに起因して発生する請求項１に記載の位置計測方法。
8. 前記観察系がミラーを含む請求項７に記載の位置計測方法。
9. 前記観察系が撮像素子を含み、この撮像素子が、複数画素、及びこの複数画素を保護するカバーガラスを含む請求項７に記載の位置計測方法。
10. 前記ノイズが、前記光量依存成分及び光量非依存成分を含む請求項１に記載の位置計測方法。
11. 前記ノイズに含まれる光量非依存成分を、前記照明ビームが前記観察系で観察されない状態において、前記撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測する請求項１０に記載の位置計測方法。
12. 前記信号処理が、前記撮像信号から前記ノイズの光量非依存成分を減算する処理を含む請求項１０に記載の位置計測方法。
13. 前記信号処理が、前記撮像信号に対して前記ノイズの光量依存成分を減算又は除算する処理を含む請求項１０に記載の位置計測方法。
14. 前記信号処理が、前記撮像信号から前記ノイズの光量非依存成分を減算した処理結果に対して、前記ノイズの光量依存成分から光量非依存成分を減算した処理結果を除算する処理を含む請求項１０に記載の位置計測方法。
15. マスク上に形成されたパターンを、基板上に転写する露光方法において、
    前記マスク又は前記基板上に形成されたマークを照明ビームで照明し、このマークから発生したビームを観察系を介して撮像し、前記観察系の撮像信号と、この撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報とに基づいて、前記撮像信号を信号処理して前記マークの位置に関する位置情報を計測し、計測された位置情報に基づいて、前記マスク又は前記基板を露光位置に位置決めする露光方法。
16. 前記光量依存成分を含んだノイズを、前記撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測する請求項１５に記載の露光方法。
17. 前記光量依存成分の経時変化特性に応じて、前記ノイズの再計測を行う請求項１６に記載の露光方法。
18. 前記光量依存成分を含んだノイズの計測では、前記マスク又は前記基板上で前記マークが形成されたマーク領域とは異なる非マーク領域を前記照明ビームで照明し、この非マーク領域を前記観察系を介して撮像する請求項１６に記載の露光方法。
19. 前記マークが複数のマーク要素を含み、前記複数のマーク要素のうち、計測対象を除くマーク要素を含む領域を前記照明ビームで照明し、前記ノイズの光量依存成分を計測する請求項１６に記載の露光方法。
20. 前記ノイズに影響を及ぼす環境因子を計測し、その計測結果に基づいて、前記ノイズの再計測を行う請求項１６に記載の露光方法。
21. 前記光量依存成分を含んだノイズが、前記マークから発生したビームが前記観察系を通過することに起因して発生する請求項１５に記載の露光方法。
22. 前記観察系がミラーを含む請求項２１に記載の露光方法。
23. 前記観察系が撮像素子を含み、この撮像素子が、複数画素、及びこの複数画素を保護するカバーガラスを含む請求項２１に記載の露光方法。
24. 前記ノイズが、前記光量依存成分及び光量非依存成分を含む請求項１５に記載の露光方法。
25. 前記ノイズに含まれる光量非依存成分を、前記照明ビームが前記観察系で観察されない状態において、前記撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測する請求項２４に記載の露光方法。
26. 前記信号処理が、前記撮像信号から前記ノイズの光量非依存成分を減算する処理を含む請求項２４に記載の露光方法。
27. 前記信号処理が、前記撮像信号に対して前記ノイズの光量依存成分を減算又は除算する処理を含む請求項２４に記載の露光方法。
28. 前記信号処理が、前記撮像信号から前記ノイズの光量非依存成分を減算した処理結果に対して、前記ノイズの光量依存成分から光量非依存成分を減算した処理結果を除算する処理を含む請求項２４に記載の露光方法。
29. マスク上に形成されたパターンを、基板上に転写する露光装置において、
    物体を照明ビームで照明し、この物体から発生したビームを撮像する観察系と、
    前記マスク又は前記基板上に形成されたマークを前記観察系を介して撮像し、その撮像信号を信号処理して前記マークの位置に関する位置情報を計測する信号処理手段と、
    前記計測された位置情報に基づいて、前記マスク又は前記基板を露光位置に位置決めする位置決め手段とを有し、
    前記信号処理手段が、前記撮像信号に含まれる、光量依存成分を含んだノイズに関する情報と、前記撮像信号とに基づいて、前記信号処理を行う露光装置。
30. 前記信号処理手段が、前記光量依存成分を含んだノイズを、前記撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測する請求項２９に記載の露光装置。
31. 前記信号処理手段が、前記光量依存成分の経時変化特性に応じて、前記ノイズの再計測を行う請求項３０に記載の露光装置。
32. 前記信号処理手段が、前記マスク又は前記基板上で前記マークが形成されたマーク領域とは異なる非マーク領域を前記観察系を介して撮像した結果に基づいて、前記ノイズの光量依存成分を計測する請求項３０に記載の露光装置。
33. 前記マークが複数のマーク要素を含み、前記信号処理手段が、前記複数のマーク要素のうち、計測対象を除くマーク要素を含む領域を前記観察系を介して撮像した結果に基づいて、前記ノイズの光量依存成分を計測する請求項３０に記載の露光装置。
34. 前記ノイズに影響を及ぼす環境因子を計測する計測手段を有し、前記信号処理手段が、前記計測手段の計測結果に基づいて、前記ノイズの再計測を行う請求項３０に記載の露光装置。
35. 前記光量依存成分を含んだノイズが、前記マークから発生したビームが前記観察系を通過することに起因して発生する請求項２９に記載の露光装置。
36. 前記観察系がミラーを含む請求項３５に記載の露光装置。
37. 前記観察系が撮像素子を含み、この撮像素子が、複数画素、及びこの複数画素を保護するカバーガラスを含む請求項３５に記載の露光装置。
38. 前記ノイズが、前記光量依存成分及び光量非依存成分を含む請求項２９に記載の露光装置。
39. 前記信号処理手段が、前記ノイズに含まれる光量非依存成分を、前記照明ビームが前記観察系で観察されない状態において、前記撮像信号の信号処理を実行する前に予め計測する請求項３８に記載の露光装置。
40. 前記信号処理が、前記撮像信号から前記ノイズの光量非依存成分を減算する処理を含む請求項３８に記載の露光装置。
41. 前記信号処理が、前記撮像信号に対して前記ノイズの光量依存成分を減算又は除算する処理を含む請求項３８に記載の露光装置。
42. 前記信号処理が、前記撮像信号から前記ノイズの光量非依存成分を減算した処理結果に対して、前記ノイズの光量依存成分から光量非依存成分を減算した処理結果を除算する処理を含む請求項３８に記載の露光装置。
43. 請求項１５に記載の露光方法を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に転写する工程を含むデバイス製造方法。
44. 請求項２９に記載の露光装置を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に転写する工程を含むデバイス製造方法。

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