WO2004107415A1 - 位置情報計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

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WO2004107415A1
WO2004107415A1 PCT/JP2004/007276 JP2004007276W WO2004107415A1 WO 2004107415 A1 WO2004107415 A1 WO 2004107415A1 JP 2004007276 W JP2004007276 W JP 2004007276W WO 2004107415 A1 WO2004107415 A1 WO 2004107415A1
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Shinichi Nakajima
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Nikon Corporation
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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7049—Technique, e.g. interferometric
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/70605—Workpiece metrology
    • G03F7/70616—Monitoring the printed patterns
    • G03F7/70633—Overlay, i.e. relative alignment between patterns printed by separate exposures in different layers, or in the same layer in multiple exposures or stitching

Definitions

  • a position information measuring method and apparatus for obtaining information on a relative position shift between two marks using for example, a semiconductor element, an image pickup element (CCD, etc.), or a display element (liquid crystal display element, etc.). It is suitable for use in the case of performing alignment of a mask and a substrate in an exposure step of transferring mask patterns of various devices onto a substrate, and evaluating overlay errors after the exposure.
  • a fine reticle (or a photomask or the like) formed as a mask is exposed using an exposure apparatus such as a stepper.
  • Image power of various patterns Projection exposure is performed on a semiconductor wafer (or glass plate or the like) as a substrate coated with a photosensitive agent such as a photoresist. Since it is necessary to form complex circuits on a wafer over a number of layers in a predetermined positional relationship, when exposing the second and subsequent layers on the wafer, the reticle and the alignment marks on the wafer are required.
  • the reticle pattern image is aligned with the circuit pattern already formed in each shot area on the wafer with high precision, and the reticle pattern image is adjusted. Exposure is performed.
  • the requirements for alignment accuracy are becoming more stringent as patterns become finer, and various arrangements have been made.
  • LSA Laser Step Alignment
  • LIA Laser
  • a registration error measuring device As a device for evaluating alignment accuracy, a registration error measuring device has been conventionally used.
  • the marks of the first layer and the marks of the second layer are simultaneously imaged by an optical system having a large numerical aperture similar to the FIA method, and the relative displacement of the marks is measured from the obtained image data. Things.
  • a measurement error may occur due to the influence of aberration of the optical system or mark distortion.
  • the reproducibility of the measurement result may be reduced due to the influence of the vibration of the test object on which the mark is formed.
  • the method using scan talometry is to irradiate two layers of marks to be measured with detection light of a predetermined bandwidth and diffracted light of one predetermined order generated from those marks, or luminous flux in one predetermined direction ( (Reflected light, etc.) is detected by spectroscopy for each wavelength, and the relative displacement of the two-layer mark is determined using the measurement results such as the reflectance or transmittance (spectral reflectance or spectral transmittance) for each wavelength obtained. It is a method to obtain. In this method, a method in which detection light is perpendicularly incident on the two-layer marks and the specularly reflected light from those marks is received is also called “reflectometry”.
  • a recently proposed overlay error measurement method using skewmetry is to form a pair of first and second marks of the same pitch on the first layer and the second layer in close proximity to the measurement direction.
  • the first and second pair of marks are given relative positional deviation amounts of +1/4 pitch and 11Z4 pitch between layers in design (for example, see Non-Patent Document 1). reference).
  • the relative displacement of the second layer with respect to the first layer occurs.
  • the measurement results of the spectral reflectance of the luminous flux from those marks Based on this, the relative displacement of the second layer can be measured.
  • Non-patented Ai ffl ⁇ l H. Huang, u. Raghavendra, A. Sezginer, K. Jonnson, P. Stanke, M. Zimmerman, C. Cheung, M. Miyagi and B. Singh, "Scatterometry-Based Overlay Metrology” , Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography, SPIE (USA), Bellingham, 2003, Vol. 5038, p. 132-143.
  • the present invention provides two methods when using scatterometry or reflectometry. It is an object of the present invention to provide a position information measurement technique that can easily obtain information on a relative position shift of a mark.
  • Still another object of the present invention is to provide an exposure technique capable of performing alignment or evaluation of overlay error with high accuracy by using scatterometry or reflectometry.
  • the position information measuring method is a position information measuring method for obtaining information relating to a relative positional deviation between two marks, wherein the first marks (25A; WM1; WM1; ) And the second mark (28A; RM1; 55), irradiating the two marks with a light beam, and diffracted light of one predetermined order generated from the two marks, or a predetermined light from the two marks
  • the first step steps 102-105) of detecting only the light consisting of the light beam (22) generated in one direction for each of a plurality of wavelengths, and the relative position of the two marks based on the detection result of the first step
  • a second step step 106) of obtaining information on the deviation.
  • the first and second marks are arranged, for example, so that at least a part of the first mark and the second mark are overlapped with each other.
  • the reflectance (spectral reflectance) for each wavelength is measured by spectrally detecting only the reflected light generated in the predetermined direction from the two marks for each of a plurality of wavelengths.
  • the moire pattern formed by overlapping the two marks is measured by sequentially measuring the spectral reflectance at predetermined intervals along the measurement direction of the two marks. Is obtained for each of a plurality of wavelengths.
  • the pitch of the moiré pattern is greatly enlarged with respect to the pitch of the original two marks, and the phase of the moiré pattern becomes 360 ° according to the relative displacement of one pitch of the two marks. Because of the change, the relative displacement between the two marks is observed to be enlarged. Then, of the reflectance distributions for each wavelength, for example, by using the distribution of the wavelength having the highest contrast, the phase of the center position of the moiré pattern is specified, thereby obtaining information on the relative positional deviation between the two marks. Can be easily obtained by the scatterometry method. In this method, it is only necessary to specify, for example, the center position of the moiré pattern.
  • the two marks may be irradiated with a light beam at normal incidence, and only the specularly reflected light from the two marks may be detected.
  • the two marks may be irradiated with a light beam at normal incidence, and only the specularly reflected light from the two marks may be detected.
  • An example of the difference between the pitches of the two marks is a shift of one pitch over the entire width of the marks in the measurement direction.
  • a moiré pattern having a maximum pitch of one cycle can be obtained.
  • the first mark and the second mark may be symmetrically overlapped.
  • the reflectance distribution (or transmittance distribution) obtained by scanning tallimetry in the entire mark becomes a clear moire pattern.
  • the first mark (25A) is formed on the first layer on the object (W), and the second mark (28A) is separated in the normal direction of the surface of the object. It is formed on the second layer (27) on the object.
  • the first mark (WM1; WM) is formed on the first object (W), and the second mark (RM1; 55) is formed on the surface of the first object in the normal direction. It is formed on a second object (R; 54) that is located away from the first object.
  • the relative displacement between the mask and the substrate or the displacement of the substrate with respect to the index mark can be measured, and the alignment can be performed based on the measurement result.
  • the first step includes a step (step 103) of detecting only reflected light based on a moiré pattern obtained by superimposing the two marks. ,.
  • the first step is a step of detecting light of the plurality of wavelengths generated from the two marks by using a photoelectric sensor (20) having a plurality of pixels arranged one-dimensionally. (Step 103), and a step (Step 105) of relatively displacing the photoelectric sensor and the two marks in the measurement direction.
  • the first step includes a photoelectric sensor (20A) having a plurality of pixels two-dimensionally arraying light of the plurality of wavelengths generated from the two marks. It has a step of detecting using it.
  • a photoelectric sensor (20A) having a plurality of pixels two-dimensionally arraying light of the plurality of wavelengths generated from the two marks. It has a step of detecting using it.
  • the position information measuring device is a position information measuring device for obtaining information on a relative position shift between two marks, wherein the two marks are irradiated with a light beam, and the two marks are A spectroscopic detection device (10; 10A) for detecting, by a plurality of wavelengths, a predetermined order of diffracted light generated from the light or a light beam generated in a predetermined direction from the two marks.
  • An arithmetic unit (8; 8A) for obtaining information on the relative positional deviation between the two marks based on the detection result of the spectral detection device, wherein the two marks have marks (25A, 28A).
  • the spectral detection device includes, as an example, a light receiving optical system (15-18) that receives diffracted light or a light beam generated from the two marks, and a spectral optical system that separates the received light into a plurality of wavelengths. (19), and a photoelectric sensor (20; 20A) that photoelectrically converts the split light through a plurality of pixels arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Thus, light of each wavelength can be efficiently photoelectrically converted.
  • the exposure method according to the present invention is directed to an exposure method for illuminating a first object (R) with an exposure beam and exposing a second object (W) via the first object with the exposure beam.
  • Two processes (steps 102-105) and the two matrices based on the detection results of the second process A third step of obtaining information on the relative positional deviation of the workpiece (step 106), and a fourth step of aligning the first object with the second object based on the information obtained in the third step.
  • the relative displacement between the two marks can be measured by the scatterometry method, and at least one of the first object and the second object can be aligned based on the measurement result.
  • the first mark is a mark (WM1) on the first object
  • the second mark is a mark (RM1) on the second object.
  • the first mark and the second mark may have different pitches. Thereby, the positional shift amounts of the first and second marks can be enlarged to a moire pattern and easily detected.
  • the exposure apparatus illuminates a first object (R) with an exposure beam, and exposes a second object (W) via the first object with the exposure beam.
  • the first mark (WM1; WM) on the object or its second object and the second mark (RM1; 55) placed close to this first mark are irradiated with a light beam, and the two marks are generated from the two marks.
  • An arithmetic unit (8; 8A) for obtaining information on the relative positional deviation between the two marks based on the detection result. According to the present invention, it is possible to measure the relative positional shift amount between two marks by a scanning metric method.
  • an index member (54) on which the second mark (55) is formed and a stage mechanism (48, 48) that arranges the second mark of the index member close to the first mark. 49).
  • the first mark of the second object is moved to the bottom side of the index member. The position of the first mark on the index member. It can be measured with reference to the second mark.
  • first mark and the second mark may have different pitches. Thereby, the positional shift amounts of the first and second marks can be enlarged to a moire pattern and easily detected.
  • the device manufacturing method according to the present invention is a device manufacturing method including a lithographic process, in which the device pattern (R) is transferred to the photoreceptor (W) using the exposure method of the present invention in the lithographic process. It is. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since the superposition accuracy at the time of exposure improves, a device can be manufactured with high precision.
  • the overlay error of the two layers can be easily measured without providing a special preparation step or the like.
  • alignment can be performed with high accuracy by using scatterometry or reflectometry.
  • FIG. 1 is a diagram showing an apparatus for measuring an overlay error according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the spectral reflectance detection device 10 of FIG. 1 as viewed in the + X direction.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part showing a two-layer mark structure to be measured in FIG.
  • FIG. 4 is a view showing an example of a spectral reflectance obtained by the spectral reflectance detecting device 10 of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a relative positional shift amount between two marks 25A and 28A in FIG. 3 and a reflectance distribution at a certain wavelength obtained by specularly reflected light.
  • FIG. 6 (A) is a diagram showing a spectral reflectance detection device 10A according to a second embodiment of the present invention.
  • 6 (B) is a side view of FIG. 6 (A).
  • FIG. 7 is a diagram showing a proximity type exposure apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a projection exposure apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of an operation when calculating a relative positional deviation amount between two marks in the first embodiment.
  • the present invention is applied to a case where overlay error is measured by a (Reflectometry) method.
  • FIG. 1 shows the overlay error measuring apparatus of the present example.
  • marks 28A, 28B, and 28C as second marks are formed on the upper layer of the wafer W to be measured.
  • first marks not shown in detail.
  • the relative positional shift amount of the upper mark 28A in the upper layer with respect to the first mark in the lower layer is measured.
  • the relative displacement between the other mark pairs is measured in the same manner.
  • the mark pairs to be measured on the wafer W are arranged at three places, but the arrangement and the number are arbitrary.
  • the X axis is taken along the measurement direction of the relative displacement
  • the Y axis is taken in the direction orthogonal to the X axis on the mounting surface of the wafer W
  • the Z axis is taken in the direction perpendicular to the mounting surface.
  • the wafer W is held on the wafer table 1 via a wafer holder (not shown) by vacuum suction.
  • the wafer table 1 is fixed on a Z stage 2 for controlling the position in the Z direction, and the Z stage 2 is fixed on an XY stage 3.
  • the XY stage 3 is mounted on a guide surface (surface parallel to the XY plane) having a substantially horizontal and high flatness on the surface plate 4 so as to be movable in the X and Y directions.
  • the XY stage 3 is driven on the surface plate 4 in the X and Y directions by a drive mechanism (not shown) including a drive motor and a ball screw.
  • the position of wafer table 1 (wafer W) in the X and Y directions is determined by laser interferometer 5. For example, it is measured with a resolution of about 10-lnm, and the rotation angle (jowing amount) of the wafer table 1 around the Z axis is also measured.
  • These measured values are supplied to a main control system 7 and a stage drive system 6 composed of a computer for controlling the operation of the entire apparatus, and the stage drive system 6 receives the measured values and control information from the main control system 7.
  • the position of the XY stage 3 (wafer W) is controlled via the driving mechanism.
  • the stage drive system 6 controls the height of the Z stage 2 based on the control information from the main control system 7.
  • a spectral reflectance detector 10 (spectral detector) is supported by a column (not shown), and a detection signal from the spectral reflectance detector 10 is formed by a computer. Supplied to data processing unit 8 (arithmetic unit). The data processing device 8 obtains the relative displacement between the two-layer marks on the wafer W and supplies it to the main control system 7 as described later.
  • a white light source such as a halogen lamp (not shown)
  • Optical fiber bundle 11 Force The detection light DL in the wavelength range of about 300—100 Onm that is emitted and wavelength-selected by a filter plate (not shown) is condensed on the illumination field stop 13 by the condenser lens 12.
  • the detection light DL that has passed through the stop of the illumination field stop 13 enters the beam splitter 15 via the lens 14, and the detection light DL reflected by the beam splitter 15 passes through the first objective lens 16 onto the wafer W. It is vertically incident on the upper mark 28A of the measurement target.
  • measurement is performed by relatively moving (scanning) the detection light DL and the wafer W in the measurement direction (the X direction in the present embodiment), so that the illumination area of the detection light DL on the wafer W has a diameter of 1 mm. It is narrowed down to a circular spot area of about 10 ⁇ m.
  • substantially only specularly reflected light 22 from the upper layer (second layer) and the lower layer (first layer) of the wafer W passes through the aperture stop 17 via the first objective lens 16 and the beam splitter 15.
  • the optical axis BX of the imaging optical system as the light receiving optical system including the first objective lens 16, the beam splitter 15, the aperture stop 17, and the second objective lens 18 is parallel to the Z axis.
  • the reflected diffracted light 23B (reflected diffracted light other than the specular reflected light 22) generated in the measurement direction (X direction) by the diffraction and reflection at the mark 28A and the mark of the first layer is transmitted to the first objective lens 16 The light is not incident, or is blocked by the aperture stop 17.
  • the first objective lens 16 and the second objective lens 18 have, for example, a numerical aperture (NA).
  • NA numerical aperture
  • the specularly reflected light 22 that has passed through the aperture stop 7 is condensed by a second objective lens 18, passes through a diffraction grating 19 (spectral optical system) formed at a predetermined pitch in the Y direction, and passes through a one-dimensional CCD type or the like.
  • An image of the circular spot area is formed on the imaging surface of the imaging device 20 (photoelectric sensor).
  • a phase type diffraction grating for example, a blazed type diffraction grating is preferable in order to increase the diffraction efficiency.
  • FIG. 2 is a side view of the spectral reflectance detector 10 of FIG. 1 as viewed in the X direction.
  • ⁇ ] ⁇ 1 + (j-1) ⁇ ⁇
  • an image is taken in a state where the output of the detection light DL is set to the same level as that at the time of measurement, for example, a mirror (reference reflector) having a uniform reflectance and a high reflectance is previously set at the position of the wafer W.
  • the detection signal of each pixel 21 of the element 20 is taken into the data processing device 8 and stored in the second memory as A / D converted value reference data. Therefore, the arithmetic processing unit in the data processing device 8 divides the detection signal of each pixel 21 stored in the first memory by the reference data of each pixel 21 stored in the second memory. Then, the reflectance R (j) of the specularly reflected light 22 for each corresponding wavelength j is determined.
  • the reflectance R (ij) for each wavelength j (spectral reflection
  • the emissivity) is stored in the third memory according to the position of the mark 28A in FIG. 1 in the X direction (for each relative position of the mark 28A and the detection light DL in the X direction).
  • FIG. 4 shows an example of the spectral reflectance at a certain X-direction position of the wafer W measured by the spectral reflectance detecting device 10 of FIG. 1.
  • the horizontal axis represents the detection light DL.
  • the vertical axis represents the reflectance R (; i) at the wavelength ⁇ .
  • the reflectance R ( ⁇ j) at a plurality of wavelengths ⁇ j divided by the division width ⁇ is measured for the wavelength; I.
  • the reflectance R (e a) of the largest wavelength reflectance can be obtained lambda a at that in a plurality of reflectivity, by measuring along the measurement direction (X direction) on the mark 28A The reflectance distribution in the measurement direction of the specularly reflected light 22 from the two-layer mark is obtained.
  • FIG. 3 shows a mark 28A (second mark) of the upper layer (hereinafter, referred to as “second layer”) of the wafer W of FIG. 1 and a mark 25A (hereinafter, referred to as “first layer”) of the lower layer (hereinafter, referred to as “first layer”).
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a structure of a (first mark).
  • a wafer W is, for example, a silicon (Si) substrate.
  • a grid-like mark 25A formed by arranging the convex portions 26 at the pitch P1 in the X direction is formed.
  • An intermediate layer 27 as a second layer is formed on the wafer W so as to cover the mark 25A, and is projected on the intermediate layer 27 in a region having a width D in the X direction at a pitch P2 slightly different from the pitch P1 in the X direction.
  • a grid-like mark 28A is formed by arranging the parts 29 in a system.
  • the mark 25A of the first layer, the intermediate layer 27 as the second layer, and the mark 28A thereabove are formed in the lithographic process for evaluating the overlay error, and the second layer
  • the convex portion 29 constituting the mark 28A is usually a photoresist pattern. Note that, in the present embodiment, it is needless to say that the present invention can be applied to a mark S having a convex portion 26 and a force S to be described below, and a mark having a concave portion instead of the convex portion.
  • the protrusions 26 forming the marks 25A of the first layer are made of, for example, the same silicon as the wafer W, or a metal such as titanium (Ti) or tungsten (W).
  • a metal such as titanium (Ti) or tungsten (W).
  • Ti titanium
  • W tungsten
  • the intermediate layer 27 is It is a single or plural layers of dielectrics or the like that transmit at least a part of the light within the wavelength range of the detection light DL from the emissivity detector 10.
  • Such dielectric layers include, for example, oxide films for STI (Shallow Trench Isolation), polysilicon, silicon nitride (SiN), and ILD (inter-layer dielectrics). Furthermore, in order to increase the reflectance with respect to the detection light DL, an anti-reflection coating (Anti-Reflection Coating: ARC) is formed on the surface of the wafer W, the layer inside the intermediate layer 27, and the surface of the intermediate layer 27 as necessary. ) Force S may be formed.
  • STI Shallow Trench Isolation
  • SiN silicon nitride
  • ILD inter-layer dielectrics
  • ⁇ ⁇ is the wavelength of the shortest wavelength side light of the detection light DL in the air
  • ⁇ is the minimum value of the refractive index of the intermediate layer 27 with respect to air
  • ⁇ is the first objective lens 16 and the (2)
  • the numerical aperture and pitch ⁇ of the imaging optical system including the objective lens 18 are smaller values of the above-mentioned pitches P1 and ⁇ 2.
  • the first-order or higher transmitted diffracted light 23C generated at the mark 28 ° of the second layer 23C Is diffracted almost vertically upward by the mark 25 ° on the first layer, and this becomes the regular reflection light 22 to be detected.
  • part of the 0th-order diffracted light 23 ° becomes a first-order or higher reflected diffracted light 23 ° due to diffraction at the mark 25 ° of the first layer.
  • the reflected diffracted light 23 ° is the spectral reflectance of FIG. It is not detected by the detection device 10.
  • the detection light DL incident on the mark 28 of the second layer is all evanescent light 23D and is attenuated by the intermediate layer 27. No information is available.
  • the advantage of scanning talometry is that it can measure with marks at the same pitch as the device pattern. Assume that the pitch of the device pattern is 200 nm.
  • the width D in the measurement direction (X direction) of the entire marks 25A and 28A in FIG. 3 is approximately the same as or shorter than the width of the currently used mark, for example, approximately 50 ⁇ m. desirable.
  • the pitch P1 of the mark 25A of the first layer is 200 nm, and 250 protrusions 26 are arranged in the width D, so that the following equation is established.
  • the mark 28A of the second layer is configured so that 251 convex portions 29 are arranged in the width D.
  • the pitch P2 of the mark 28A is slightly shorter than the pitch P1 as follows.
  • the pitches PI and P2 may be set to be as long as about lzm.
  • the pitch PM in the measurement direction (X direction) of the moire pattern formed by the two-layer marks 25A and 28A is as follows.
  • the pitch ⁇ ⁇ of the moiré pattern becomes 50 ⁇ m, which is the same as the mark width D.
  • FIG. 3 shows a state in which the mark 25A of the first layer and the mark 28A of the second layer completely overlap. That is, the protrusions 26L, 29L at the left end of the marks 25A, 28A and the protrusions 26R, 29R at the right end of the marks 25A, 28A substantially overlap each other, and the center protrusion of the mark 28A of the second layer.
  • the distribution R (X) of the reflectance in the X direction due to the specularly reflected light 22 of the marks 25 ⁇ ⁇ ⁇ and 28 ⁇ of the two layers is a distribution corresponding to a moire pattern with a pitch of 50 ⁇ m.
  • FIGS. 5 (A) and 5 (E) show the relative displacement of the mark 25A of the first layer and the mark 28A of the second layer of FIG. 3 in the X direction, and the specular reflection light from those marks.
  • the graph shows the relationship with the reflectance distribution R (X) in the X direction at a certain wavelength. That is, Fig. 5 (A) shows the marks 25A, 28 When A completely overlaps, the resulting reflectance distribution R (X) has a symmetrical sinusoidal shape with a maximum at the center.
  • the positional deviation amount of the mark 28A is expanded to approximately (D / P2) times (about 250 times in this example) as the positional deviation amount of the moire pattern. Therefore, by detecting the reflectivity distribution and calculating the position shift amount (phase) of the moire pattern, the position shift amount of the mark 28A of the second layer with respect to the mark 25A of the first layer, and further, the position shift amount of the mark 28A with respect to the first layer.
  • the overlay error of two layers can be obtained with high accuracy.
  • step 101 of FIG. 9 the XY stage 3 of FIG. 1 is driven, and the end force in the + X direction of the upper mark 28A to be detected on the wafer W is analyzed.
  • the wafer table 1 (wafer W) is moved so as to be close to one end in the X direction of the illumination area of the detection light DL from the reflectance detection device 10 at an interval of about several m.
  • the positions of the marks 28A-28C in the upper layer of the wafer W in the X direction and the Y direction may be determined with a relatively coarse accuracy of, for example, about 1 ⁇ m using a microscope (not shown) in advance.
  • the detection light DL is vertically irradiated on the wafer W from the spectral reflectance detector 10.
  • the wafer W is gradually moved in the + X direction via the XY stage 3, so that the detection light DL gradually irradiates the upper mark 28A and the lower mark 25A in FIG. .
  • the image sensor 20 of the spectral reflectance detection device 10 shown in FIG. 1 receives a light beam obtained by splitting the specularly reflected light 22 from the two marks 25A and 28A for each pixel (for each wavelength), The obtained detection signal is supplied to the data processing device 8.
  • next step 104 it is determined whether or not an area including the entire width of the mark 28A of the second layer in the measurement direction (X direction) has been detected. Since the width D in the measurement direction of the mark 28A in this example is 50 ⁇ m, as an example, whether or not the wafer W has been moved by about 10 ⁇ m in the width D in the + X direction from the state in step 101. Should be checked. If such movement has not been performed, the operation moves to step 105, and the main control system 7 moves the XY stage 3 in the + X direction, which is the measurement direction, by ⁇ ) (for example, about 0.1—lzm). Moving.
  • the operation returns to steps 102 and 103, and the detection light DL is vertically irradiated from the spectral reflectance detection device 10 to the marks 25A and 28A on the wafer W, and the specular reflection light 22 from the marks 25A and 28A is converted to the wavelength.
  • the light is received by the image sensor 20 and the obtained detection signal is supplied to the data processing device 8.
  • the operations in steps 102 to 105 are repeated until the specular reflected light from the entire area of the mark 28A in the measurement direction is received, and when the specular reflected light from the entire area is received, the operation proceeds to step 104, and the force also proceeds to step 106. Transition.
  • the arithmetic processing unit of the data processing device 8 associates the detection data obtained by dividing by the reference data after being supplied from the imaging device 20, ie, the position of the wafer W in the X direction.
  • the stored spectral reflectance R (e j) is processed to determine the amount of displacement in the X direction of the mark 28A of the second layer with respect to the mark 25A of the first layer in FIG.
  • the arithmetic processing unit of the data processing device 8 averages the highest reflectance among the spectral reflectances R ( ⁇ j) obtained at each position in the X direction of the wafer W. Re, specify the wavelength ⁇ j (this is ⁇ a).
  • the arithmetic processing unit obtains a reflectance distribution R ( ⁇ a, X) by arranging the reflectance R ( Ia ) at the wavelength; la at each position in the X direction of the wafer W.
  • This reflectance distribution R ( ⁇ a, X) is an intermediate distribution between any two adjacent distributions of the reflectance distribution R (X) in FIGS. Therefore, for example, by performing interpolation, the amount of displacement ⁇ ⁇ (-/ 22/2 ⁇ ⁇ + ⁇ 2 / 2) of the mark 28 ⁇ with respect to the mark 25 ⁇ in the X direction from the reflectance distribution R (a, X) is calculated. You can ask. In this example, since the state where the overlay error is 0 is the state of FIG.
  • the reflectance distribution R (a, X) changes from FIG. 5 (C) to FIG. 5 (D), Or, when it is in the range of FIG. 5 (D) to FIG. 5 (E), the position shift amount ⁇ ⁇ of the mark 28A is treated as being in the negative range (1 P2 / 2, ⁇ ⁇ ⁇ 0). This completes the measurement of the displacement of the center mark 28 ⁇ of the second layer in FIG. 1, and similarly measures the displacement of the other marks 28 ⁇ and 28C with respect to the mark of the first layer. it can. Then, the displacement amount force of the marks 28 ⁇ -28C is the overlay error in the X direction at the position of each mark of the second layer with respect to the first layer.
  • the spectral reflectivity detection device 10 as a light receiving optical system is used.
  • the imaging optical system an optical system having a small numerical aperture and having a simple configuration can be used.
  • the measurement results are almost unaffected by the aberration of the imaging optical system, and almost unaffected by the asymmetry of the two-layer marks 25 ⁇ and 28 2.
  • the specular reflection light 22 from the integrated marks 25 ⁇ and 28 ⁇ is received, even if the stage 3 vibrates during the measurement, the measurement result of the relative displacement will have little effect. If you don't, you have the advantage.
  • the force using the stage 3 (stage mechanism) to relatively move the detection light DL from the spectral reflectance detection device 10 and the marks 25 A, 28 in the measurement direction may be scanned in the measurement direction on the wafer W using a vibrating mirror or the like.
  • FIG. 1 a two-dimensional image sensor is used in place of the one-dimensional image sensor 20 in the spectroscopic reflectance detector 10 of FIG. 1, and a portion corresponding to FIGS. 1 and 2 in FIG. Are given the same or similar reference numerals, and their detailed description is omitted.
  • FIG. 6 ( ⁇ ) is a diagram showing the spectral reflectance detection device 10A of this example
  • FIG. 6 ( ⁇ ) is a side view of FIG. 6 ( ⁇ ).
  • the illumination field stop 13A of this example is set so as to be able to illuminate a wider area on the wafer W than the illumination field stop 13 of FIG. That is, the detection light DL in this example is an illumination area that covers the entire width (50 ⁇ m in this example) of the mark 28 ° of the second layer on the wafer W in the measurement direction (X direction), for example, the width in the X direction. Is about 100 ⁇ m in the ⁇ direction Illuminates an illumination area with a width of about 10 / m.
  • K pieces (K is about 100-500) are arranged two-dimensionally. Assuming that K is 100, the resolution of the mark image in the measurement direction is l x m. Other configurations are similar to those of the embodiment of FIG.
  • the specularly reflected light 22 of the detection light DL perpendicularly incident so as to cover the entire width of the mark 28A on the upper layer of the wafer W in the measurement direction is reflected by the first objective lens 16, the beam splitter 15 and the aperture.
  • Light is collected by an imaging optical system (light receiving optical system) including an aperture 17 and a second objective lens 18.
  • the specularly reflected light 22 thus collected is separated by wavelength by the diffraction grating 19 (spectral optical system) and received by each pixel 21 of the image pickup device 20A.
  • the imaging optical system light receiving optical system
  • the diffraction grating 19 spectral optical system
  • the reflectance Rjk is obtained by dividing the detection signal of each pixel 21 by the reference data.
  • the spectral reflectance at each position in the measurement direction of the mark 28A is obtained by a single imaging.
  • the two-dimensional image sensor 20A since the two-dimensional image sensor 20A is used in this example, it is not necessary to mechanically move the spectral reflectance detector 10A and the wafer W relative to each other in the measurement direction with high accuracy. It is possible to efficiently determine the overlay error between two layers.
  • the present invention is applied to the case where the alignment is performed by a proximity type exposure apparatus.
  • FIG. 7 shows a proximity type exposure apparatus of this example.
  • exposure light IL exposure beam
  • an exposure light source not shown
  • a KrF excimer laser wavelength: 248 nm
  • the illumination optical system 1 includes an optical integrator for uniforming the illuminance distribution, a field stop (retinal blind) for defining an illumination area, a condenser lens system, and the like.
  • the circuit pattern on the reticle R is projected onto a wafer W as a substrate (second object) coated with a photoresist.
  • a glass plate coated with a photoresist is used.
  • the Z axis is taken parallel to the optical axis of the illumination optical system 31
  • the X axis is taken parallel to the plane of FIG. 7 in a plane perpendicular to the Z axis
  • the Y axis is taken perpendicular to the plane of FIG. explain.
  • the reticle R is suction-held on the reticle stage 32, and the reticle stage 32 is finely moved on the reticle base 33 by a driving mechanism (not shown) in the X, Y, and Z directions. It is placed so that it can be done.
  • the position and rotation angle of the reticle stage 32 in the X and Y directions are measured by a laser interferometer (not shown) with a resolution of, for example, about 1 nm.
  • the wafer W is held on a wafer table 36 via a wafer holder (not shown) by vacuum suction, and the wafer table 36 is fixed on a Z stage 37 for controlling the position in the Z direction.
  • the Z stage 37 is fixed on the XY stage 38.
  • the XY stage 38 is mounted on a wafer base 39 formed of a surface plate so as to be movable in the X and Y directions via an air bearing.
  • the position and rotation angle of the wafer table 36 (wafer W) in the X and Y directions are measured with a laser interferometer (not shown) at a positional resolution of, for example, about 1 nm, and a drive (not shown) is performed based on the measurement results.
  • the mechanism drives the XY stage 38.
  • alignment marks (reticle marks) RM1 and RM2 are formed at two positions near the pattern area on the pattern surface of reticle R, and alignment marks (wafer marks) WM 1 on wafer W are correspondingly formed. , WM2 are formed. It is assumed that the positions of the two reticle marks RM1 and RM2 are largely shifted in the Y direction. Also in this example, the pitch of reticle marks RM1 and RM2 in the measurement direction is slightly different from the pitch of wafer marks WM1 and WM2. Then, an alignment sensor having the same configuration as the spectral reflectance detector 1OA in FIG.
  • the alignment sensors 35A and 35B measure the amount of positional deviation of the reticle marks RM1 and RM2 with respect to the wafer marks WM1 and WM2 in the measurement direction (for example, the X direction) with respect to the wafer marks WM1 and WM2, respectively.
  • the distance between the pattern surface of the reticle R and the upper surface of the wafer W is, for example, several tens of ⁇ m, and since the detection light is hardly attenuated at that distance, the position between the upper and lower marks is not changed.
  • the displacement amount can be measured with high accuracy by the simple optical system alignment sensors 35A and 35B.
  • a reticle mark and a wafer mark having slightly different pitches for measuring the amount of displacement in the Y direction between the reticle R and the wafer W are actually formed.
  • An alignment sensor having the same configuration as the spectral reflectance detection device 10A of FIG. 6 for measuring the amount of displacement in the Y direction between marks is also provided. Based on these measurement values, the pattern of reticle R can be projected onto wafer W in a state where wafer W and reticle R are positioned with high precision.
  • the pitch of reticle marks RM1 and RM2 may be equal to the pitch of wafer marks WM1 and WM2.
  • the wafer mark WM1 is divided into two marks
  • the reticle mark RM1 is divided into two marks whose pitch differs by + 1Z4 pitch and 1/4 pitch at the design value, and the two pairs of marks are used.
  • Based on the specular reflection of The position shift amount of the reticle mark with respect to the wafer mark may be measured from the measured spectral reflectance.
  • the present invention is applied to a case where wafer alignment is performed by a projection exposure apparatus.
  • FIG. 8 shows a scanning exposure type projection exposure apparatus used in this example.
  • an exposure light source such as an excimer laser light source (not shown) made of, for example, KrF or ArF (wavelength 193 nm) is used.
  • the exposure light IL (exposure beam) from the reticle R illuminates the elongated illuminated area on the pattern surface of the reticle R as a mask (first object) through the illumination optical system 41 with a uniform illuminance distribution.
  • the image power S of a part of the circuit pattern on the reticle R and the projection magnification / 3 (/ 3 is 1Z5, 1Z4 , Etc.)
  • the image is projected onto an elongated area on one shot area on the wafer W as a substrate (second object) and an exposure area.
  • the wafer W is a disk-shaped substrate such as a semiconductor (eg, silicon) or SOKsilicon on insulator) having a diameter of about 150 to 300 mm, and a photoresist is applied to the surface thereof.
  • the Z axis is taken parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL
  • the X axis is taken parallel to the plane of FIG.
  • the scanning direction of the reticle R and the wafer W during the exposure is the Y direction.
  • the reticle R is suction-held on the reticle stage 42, and the reticle stage 42 is driven on the reticle base 43 at a constant speed in the Y direction via an air bearing, and in the X, Y, and Y directions. It is mounted so that it can finely move in the direction of rotation around the Z axis.
  • the position in the X and Y directions and the rotation angle of the reticle stage 42 are measured by a laser interferometer in the reticle stage drive system 45.
  • the reticle stage drive system 45 controls the reticle stage 42 via a drive mechanism (not shown) such as a linear motor. Control speed and position.
  • the wafer W is held by vacuum suction on a wafer table 46 via a wafer holder (not shown), and the wafer table 46 adjusts the position in the Z direction and the inclination angle around the X axis and the Y axis.
  • Z tilt stage 47 Fixed on Z tilt stage 47 for control, Z tilt stage 47 Is fixed on the XY stage 48.
  • the stage 48 is mounted on a wafer base 49 formed of a surface plate so as to be able to move at a constant speed in the direction ⁇ via an air bearing, and to be able to move stepwise in the direction X and direction ⁇ .
  • a projection optical system 51A that obliquely projects a plurality of slit images on the surface of the wafer W, and receives reflected light from the wafer W to re-image the slit image.
  • An oblique incidence multipoint autofocus sensor including a light receiving optical system 51B for outputting a signal corresponding to the shift amount of the re-imaged image is arranged.
  • the surface of the wafer W is adjusted to the image plane of the projection optical system PL based on the measurement value of the autofocus sensor.
  • the position and rotation angle of the wafer table 46 (wafer W) in the X and Y directions are measured by a laser interferometer in the wafer stage drive system 50 with a positional resolution of, for example, about 1 nm.
  • the wafer stage drive system 50 controls the speed and position of the XY stage 48 (wafer stage) via a drive mechanism (not shown) such as a linear motor. .
  • the reticle stage 42 and the XY stage 48 are driven, and the reticle R and the reticle R are respectively illuminated with respect to the illumination area of the exposure light IL and the exposure area conjugate to the projection optical system PL.
  • the operation of synchronously scanning one shot area on the wafer W in the Y direction and the operation of driving the XY stage 48 to move the wafer W stepwise in the X and Y directions are repeated. By this operation, a pattern image of the reticle R is exposed to each shot area on the wafer W in a step-and-scan manner.
  • a reticle alignment microscope (not shown) disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-176468 is disposed above the reticle R.
  • Each shot area on the wafer W is provided with a wafer mark WM as an alignment mark.
  • an off-axis method is provided on the side of the projection optical system PL.
  • An alignment sensor 60 having the same configuration as the spectral reflectance detection device 10A (the measurement direction is defined as the X direction) of FIG. 6 is provided.
  • the alignment sensor 60 rotates the spectral reflectance detector 10A of FIG. 6 by 90 °. It also has a built-in Y-axis sensor.
  • the detection signal of the alignment sensor 60 is processed by the data processing device 8 #, the position of the wafer mark WM is measured, and the measurement result is supplied to the main control system 44.
  • the alignment sensor 60 of this example is of the reflectometry type, a mark (index mark) serving as a reference for measuring the position of the wafer mark WM (first mark) is required. Therefore, a light transmissive index plate 54 is supported by a column (not shown) near the lower end of the projection optical system PL, and an index mark 55 (second mark) is formed on the lower surface of the index plate 54. The pitch of the index mark 55 is slightly different from the pitch of the wafer mark WM. No optical system is interposed between the index plate 54 and the wafer (measured object). In addition, mirrors 52 and 53 for bending the optical path are also provided so that the detection light from the alignment sensor 60 is vertically incident on the index plate 54.
  • a reference mark member (not shown) on which a reference mark is formed in the same manner as the wafer mark WM is provided near the wafer W on the wafer table 46, and the reference mark is previously set.
  • the alignment sensor 60 measures the amount of displacement of the index mark 55 with respect to the reference mark by the reflectometry method. The baseline amount of the alignment sensor 60 is obtained based on the displacement amount.
  • the XY stage 48 is driven to move the wafer mark WM to the bottom surface of the index mark 55.
  • the displacement of the wafer mark WM with respect to the index mark 55 in the X direction and the Y direction is obtained by the alignment sensor 60 and the data processing device 8A in the same operation as in the sequence of FIG.
  • the misregistration amount is measured for another predetermined number of wafer marks on the wafer W, and the main control system 44 performs the alignment of the wafer W based on the measurement result.
  • the pitch of the wafer mark WM and the pitch of the index mark 55 may be the same.
  • the measurement is performed by the reflectometry method by irradiating the mark to be measured with the spectral reflectance detectors 10 and 10A with detection light at normal incidence and detecting the specular reflection light. ing.
  • a predetermined order of diffracted light or reflected light generated in a predetermined oblique direction from the measurement target mark is detected, or the measurement target mark is detected diagonally.
  • the present invention can also be applied to a case where the amount of positional shift of a mark is measured by a general scanning tarometry method by detecting diffracted light or reflected light generated in a predetermined direction by emitting light.
  • the exposure apparatus and the projection exposure apparatus include an illumination optical system or the like composed of a plurality of lenses incorporated in an exposure apparatus main body and optically adjusted to include a large number of mechanical components. It can be manufactured by attaching a reticle stage or wafer stage to the exposure apparatus body, connecting wiring and piping, and then performing comprehensive adjustments (electrical adjustment, operation confirmation, etc.). It is desirable that the exposure apparatus be manufactured in a clean room where the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
  • the semiconductor device includes a step of performing function and performance design of the device, a step of manufacturing a reticle based on this step, A step of forming a wafer from a silicon material; a step of exposing a reticle pattern to the wafer by performing alignment using the projection exposure apparatus of the above-described embodiment; a step of forming a circuit pattern such as etching; a device assembling step (dicing step) , Bonding process, package process), and inspection step.
  • the present invention can be similarly applied to a batch exposure type projection exposure apparatus. Furthermore, the present invention can be applied to the case where alignment is performed by an immersion type exposure apparatus disclosed in, for example, International Publication No. WO / 99/49504.
  • the application of the exposure apparatus of the present invention is not limited to the exposure apparatus for manufacturing semiconductor devices, but may be, for example, a liquid crystal display element formed on a square glass plate, or an exposure apparatus for a display apparatus such as a plasma display. It can be widely applied to equipment and exposure equipment for manufacturing various devices such as imaging devices (CCD etc.), micro machines, thin film magnetic heads, and DNA chips. Further, the present invention can be applied to an exposure step (exposure apparatus) when manufacturing a mask (photomask, reticle, etc.) on which a mask pattern of various devices is formed by using a photolithography process. .
  • alignment can be performed with high accuracy by using a scatterometry or a reflectometry, and since overlay accuracy and the like are improved, various devices are manufactured with high accuracy. it can.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

　スキャタロメトリ又はリフレクトメトリを用いて、２つのマークの相対位置ずれ情報を容易に求めることができる位置情報計測方法である。ウエハ（Ｗ）上にピッチＰ１でマーク（２５Ａ）を形成し、その上の中間層（２７）上にピッチＰ１と異なるピッチＰ２でマーク（２８Ａ）を形成しておく。ウエハ（Ｗ）に対して検出光（ＤＬ）を垂直に入射させて、２つのマーク（２５Ａ，２８Ａ）からの正反射光（２２）のみを波長別に分光して光電変換する。得られた検出信号から波長別の反射率を求め、所定の波長における反射率をマーク（２５Ａ，２８Ａ）の計測方向（Ｘ方向）の各位置毎に求め、求めた反射率分布から２つのマーク（２５Ａ，２８Ａ）の重なりによって形成されるモアレパターンの形状を求め、その形状からマーク（２８Ａ）の位置ずれ量を求める。

Description

明 細 書
位置情報計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置
技術分野
(Reflectometry)を用いて、 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を求めるため の位置情報計測方法及び装置に関し、例えば半導体素子、撮像素子 (CCD等)、又 は表示素子 (液晶表示素子等）等の各種デバイスのマスクパターンを基板上に転写 する露光工程におけるマスク及び基板のァライメント、並びにその露光後の重ね合わ せ誤差の評価等を行う場合に使用して好適なものである。
背景技術
[0002] 例えば半導体素子や液晶表示素子を製造するためのリソグラフイエ程中の露光ェ 程においては、ステッパー等の露光装置を用いて、マスクとしてのレチクル（又はフォ トマスク等）に形成された微細なパターンの像力 フォトレジスト等の感光剤を塗布し た基板としての半導体ウェハ（又はガラスプレート等）上に投影露光される。ウェハ上 には複雑な回路を多数のレイヤに亘つて所定の位置関係で形成する必要があるた め、ウェハ上の 2層目以降のレイヤへの露光に際しては、レチクル及びウェハ上のァ ライメントマークの位置の検出結果に基づレ、て、レチクルのパターン像をウェハ上の 各ショット領域に既に形成されている回路パターンに高精度に位置合わせ（ァライメ ント）した状態で、レチクルのパターン像の露光が行われる。ァライメント精度に対する 要求は、パターンの微細化と共に厳しくなつてきており、ァライメントには様々の工夫 がなされている。
[0003] 従来、レチクル上のァライメントマークの検出（レチクルァライメント）には、露光光を 用いて CCDカメラなどで撮像したマークの画像データを画像処理してマーク位置を 計測する VRA (Visual Reticle Alignment)方式などが使用されてレ、る（例えば、 日本 国特開平 7-176468号公報参照）。一方、ウェハ上のァライメントマークの検出（ゥェ ハァライメント）方式としては、 CCDカメラなどで撮像したマークの画像データを画像 処理してマーク位置を計測する FIA (Field Image Alignment)方式が用いられている（ 例えば、 日本国特開平 7-183186号公報参照）。その他に、レーザ光をウェハ上の ドット列状のマークに照射し、そのマークにより回折又は散乱された光を用いてマーク 位置を検出する LSA (Laser Step Alignment)方式、或いはウェハ上の回折格子状の マークに周波数を僅かに変えたレーザ光を 2方向から照射し、発生した 2つの回折光 を干渉させ、その干渉光の位相からマーク位置を計測する LIA (Laser
Interferometric Alignment)方式等も使用されてレ、る。
[0004] また、ァライメント精度を評価するための装置として、従来より重ね合わせ誤差計測 装置が使用されている。これは、 FIA方式と似た大きい開口数の光学系で第 1レイヤ のマークと第 2レイヤのマークとを同時に撮像し、得られた画像データからそれらの相 対的な位置ずれ量を計測するものである。ところが、このような大開口数の光学系に よってマーク像を結像する方式では、光学系の収差やマーク歪みの影響などによつ て計測誤差が生じる恐れがある。また、マークが形成された被検物の振動等の影響 によって計測結果の再現性が低下する恐れもあった。
[0005] そのため、最近、光学系の収差、マーク歪み、及び被検物の振動等の影響を原理 的に受けにくい重ね合わせ誤差の計測方法として、いわゆるスキヤタロメトリ
(Scatterometry)を用いる方法が提案されている。スキヤタロメトリを用いる方法とは、 計測対象の 2層のマークに所定帯域幅の検出光を照射し、それらのマークから発生 する所定の一つの次数の回折光、又は所定の一つの方向への光束 (反射光等）を 波長別に分光して検出し、得られた波長別の反射率又は透過率（分光反射率又は 分光透過率）等の計測結果を用いて、 2層のマークの相対位置ずれ量を求める方法 である。この方法において、その 2層のマークに対して検出光を垂直入射させて、そ れらのマークからの正反射光を受光する方式はリフレクトメトリ (Reflectometry)とも呼 ばれている。
[0006] 最近提案されたスキヤタロメトリを用いた重ね合わせ誤差の計測方法は、第 1レイヤ 及び第 2レイヤに同一ピッチの第 1及び第 2の 1対のマークを計測方向に近接して形 成しておき、その第 1及び第 2の 1対のマークにそれぞれレイヤ間で設計上で + 1/4 ピッチ及び一 1Z4ピッチの相対位置ずれ量を与えておくものである（例えば、非特許 文献 1参照）。この場合、その第 1レイヤに対してその第 2レイヤの相対位置ずれが生 じていると、その第 1及び第 2の 1対のマークの相対位置ずれ量の絶対値が逆方向に 変化することを利用して、それらのマークからの光束の分光反射率の計測結果に基 づレ、て、その第 2レイヤの相対位置ずれ量を計測することができる。
非特許乂 ffl^l : H. Huang, u. Raghavendra, A. Sezginer, K. Jonnson, P . Stanke, M. Zimmerman, C. Cheung, M. Miyagi and B. Singh, "Scatterometry-Based Overlay Metrology", Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography, SPIE (米国）， Bellingham, 2003, Vol. 5038， p. 132-143
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 上記の如ぐスキヤタロメトリ（又はリフレクトメトリ）を用いた重ね合わせ誤差の計測方 法では、所定次数の回折光又は正反射光等の実質的に一つの方向に発生する光 束のみを検出すればよい。そのため、開口数の小さい単純な光学系が使用でき、光 学系の収差の影響は極めて小さくなり、マーク歪みの影響等も小さくなる点で、原理 的には従来の FIA方式等の結像方式よりも優れている。
[0008] し力、しながら、従来のスキヤタロメトリを用いた計測方法では、設計値で + 1Z4ピッ チずれた 1対のマーク、及び設計値で— 1Z4ピッチずれた別の 1対のマークからの光 束の分光反射率の計測結果から相対位置ずれ量を求めるために、予め分光反射率 の変動量と相対位置ずれ量との関係（例えば比例係数）を求めておく必要があった。 そのため、実際に第 1レイヤに対する第 2レイヤの相対位置ずれ量の異なる多数のサ ンプルについて、分光反射率を計測してその関係を求めるための煩雑な準備工程（ トレーニング工程）が必要であるという不都合があった。また、その分光反射率の変動 量と相対位置ずれ量との関係は、各レイヤ及び各マークの構造によっても変化する ため、異なるプロセス毎及び異なるマーク毎にその準備工程が必要となり、重ね合わ せ誤差の評価に時間力 Sかかるという不都合もあった。更に、設計値で + 1/4ピッチ 及び一 1/4ピッチずれた 2対のマークの中心間隔の伸縮量も計測誤差となる恐れが あるため、計測時の温度を露光時の温度に高精度に合わせる必要があるという不都 合もあった。
[0009] 本発明は斯かる点に鑑み、スキヤタロメトリ又はリフレクトメトリを用いたときに、 2つの マークの相対位置ずれに関する情報を容易に求めることができる位置情報計測技術 を提供することを目的とする。
更に本発明は、スキヤタロメトリ又はリフレクトメトリを用いて、ァライメント又は重ね合 わせ誤差の評価等を高精度に行うことができる露光技術を提供することをも目的とす る。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明による位置情報計測方法は、 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を 求めるための位置情報計測方法において、その 2つのマークとして互いにピッチの異 なる第 1マーク（25A;WM1 ;WM)及び第 2マーク（28A;RM1 ; 55)を用い、その 2 つのマークに光ビームを照射し、その 2つのマークから発生する所定の一つの次数 の回折光、又はその 2つのマークから所定の一つの方向に発生する光束（22)よりな る光のみを複数の波長別に検出する第 1工程 (ステップ 102— 105)と、その第 1工程 の検出結果に基づいてその 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を求める第 2 工程 (ステップ 106)とを有するものである。
[0011] 斯カる本発明によれば、第 1及び第 2マークは例えば上下に少なくとも一部が重な るように配置されており、これら 2つのマークから発生する所定次数の回折光又は所 定方向への光束として、例えばその 2つのマークから所定方向に発生する反射光の みを複数の波長別に分光して検出することで、波長別の反射率 (分光反射率)が計 測される。また、第 1及び第 2マークのピッチが互いに異なるため、その分光反射率を その 2つのマークの計測方向に沿って所定間隔で順次計測することで、 2つのマーク が重なって形成されるモアレパターンに対応する反射率分布が複数の波長別に得ら れる。この場合、モアレパターンのピッチは、元の 2つのマークのピッチに対して大き く拡大され、そのモアレパターンの位相はその 2つのマークの一方の 1ピッチ分の相 対位置ずれに応じて 360° 変化するため、その 2つのマークの相対位置ずれ量が拡 大して観測されることになる。そして、複数の波長別の反射率分布のうち、例えば最も コントラストの大きい波長の分布を用いて、そのモアレパターンの中心位置の位相を 特定することによって、その 2つのマークの相対位置ずれに関する情報としての相対 位置ずれ量をスキヤタロメトリ方式によって容易に得ることができる。 [0012] この方法では、例えばモアレパターンの中心位置を特定するだけでよいため、予め 多数のサンプルを用いた準備工程で反射率分布と相対位置ずれ量との関係を求め ておく必要がない。また、実質的に所定方向に向かう光束を受光すればよいだけで あるため、簡易な光学系で 2つのマークからの光を結像させ、その撮像信号の画像 処理を行うことも可能である。
[0013] この場合、その 2つのマークに対して垂直入射で光ビームを照射し、その 2つのマ ークからの正反射光のみを検出するようにしてもよレ、。これによつて、リフレクトメトリ方 式によってその 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を検出できる。
また、その 2つのマークのピッチの差の一例は、それらのマークの計測方向の幅全 体で 1ピッチずれる程度である。これによつてピッチが最大で 1周期のモアレパターン が得られる。また、第 1マークと第 2マークとが対称な形で重なるようにしてもよい。これ により、マーク全体で、スキヤタロメトリによって得られる反射率分布（又は透過率分布 )は鮮明なモアレパターンとなる。
[0014] 本発明において、一例として、その第 1マーク（25A)は物体 (W)上の第 1レイヤに 形成され、その第 2マーク（28A)は、その物体の表面の法線方向に離れたその物体 上の第 2レイヤ（27)に形成されている。この構成では、第 1レイヤに対する第 2レイヤ の重ね合わせ誤差を計測することができる。
また、他の例として、その第 1マーク（WM1 ;WM)は第 1物体 (W)上に形成され、 その第 2マーク (RM1； 55)はその第 1物体の表面の法線方向にその第 1物体から離 れて配置された第 2物体 (R; 54)上に形成されている。この構成では、例えばマスク と基板との相対位置ずれ量、又は基板の指標マークに対する位置ずれ量を計測でき 、この計測結果に基づレ、てァライメントを行うことができる。
[0015] また、その第 1工程は、その 2つのマークを重ね合わせて得られるモアレパターンに 基づレ、た反射光のみを検出する工程 (ステップ 103)を有してレ、てもよレ、。
また、一例として、その第 1工程は、その 2つのマークから発生するその複数の波長 別の光を 1次元的に配列された複数の画素を持つ光電センサ（20)を用いて検出す る工程 (ステップ 103)と、その光電センサとその 2つのマークとを計測方向に相対変 位させる工程（ステップ 105)とを有するものである。この 2つの工程によって、その 2 つのマークの計測方向に沿った反射率分布又は透過率分布を波長別に計測するこ とができる。
[0016] また、別の例として、その第 1工程は、その 2つのマークから発生するその複数の波 長別の光を 2次元的に配列された複数の画素を持つ光電センサ（20A)を用いて検 出する工程を有するものである。このように 2次元の光電センサを用いることで、 2つ のマークに一度光ビームを照射するのみで、その 2つのマークの計測方向に沿った 反射率分布又は透過率分布を波長別に短時間に計測することができる。
[0017] 次に、本発明による位置情報計測装置は、 2つのマークの相対位置ずれに関する 情報を求めるための位置情報計測装置において、その 2つのマークに光ビームを照 射し、その 2つのマークから発生する所定の一つの次数の回折光又はその 2つのマ ークから所定の一つの方向に発生する光束よりなる光を複数の波長別に検出する分 光検出装置（10； 10A)と、その分光検出装置の検出結果に基づいてその 2つのマ ークの相対位置ずれに関する情報を求める演算装置（8； 8A)とを有し、その 2つのマ ークは互いにピッチの異なるマーク（25A, 28A)であるものである。
[0018] 本発明によって、スキヤタロメトリ方式で 2つのマークの相対位置ずれに関する情報 を求めることができる。
この場合、その分光検出装置は、一例としてその 2つのマークから発生する回折光 又は光束を受光する受光光学系（15— 18)と、その受光された光を複数の波長別に 分光する分光光学系（19)と、その分光された光を 1次元的又は 2次元的に配列され た複数の画素を介して光電変換する光電センサ（20； 20A)とを有するものである。こ れによって、効率的に波長別の光を光電変換することができる。
[0019] また、本発明による露光方法は、露光ビームで第 1物体 (R)を照明し、その露光ビ ームでその第 1物体を介して第 2物体 (W)を露光する露光方法において、その第 1 物体又はその第 2物体上の第 1マーク（WM1； WM)に近接させて第 2マーク（RM1 ； 55)を配置する第 1工程と、その第 1マーク及びその第 2マークに光ビームを照射し 、その 2つのマーク力、ら発生する所定の一つの次数の回折光又はその 2つのマーク 力 所定の一つの方向に発生する光束よりなる光のみを複数の波長別に検出する 第 2工程 (ステップ 102— 105)と、その第 2工程の検出結果に基づいてその 2つのマ ークの相対位置ずれに関する情報を求める第 3工程 (ステップ 106)と、その第 3工程 で求められた情報に基づいて、その第 1物体とその第 2物体との位置合わせを行う第 4工程とを有するものである。
[0020] 本発明によれば、スキヤタロメトリ方式で 2つのマークの相対位置ずれ量を計測でき 、その結果に基づいてその第 1物体及び第 2物体の少なくとも一方のァライメントを行 うことができる。
この場合、一例として、その第 1マークはその第 1物体上のマーク (WM1)であり、 その第 2マークはその第 2物体上のマーク（RM1)である。これは、例えばプロキシミ ティ方式で露光する場合に本発明を適用したものであり、その第 1物体と第 2物体と の相対位置ずれ量を直接計測できるため、この結果に基づいてァライメントを高精度 に行うことができる。
[0021] また、その第 1マークとその第 2マークとはピッチが異なっていてもよレ、。これによつ て、その第 1及び第 2マークの位置ずれ量をモアレパターンに拡大して容易に検出で きる。
また、本発明による露光装置は、露光ビームで第 1物体 (R)を照明し、その露光ビ ームでその第 1物体を介して第 2物体 (W)を露光する露光装置において、その第 1 物体又はその第 2物体上の第 1マーク (WM1； WM)及びこの第 1マークに近接させ て配置される第 2マーク（RM1； 55)に光ビームを照射し、その 2つのマークから発生 する所定の一つの次数の回折光又はその 2つのマークから所定の一つの方向に発 生する光束よりなる光を複数の波長別に検出する分光検出装置（10 ; 10A)と、その 分光検出装置の検出結果に基づいてその 2つのマークの相対位置ずれに関する情 報を求める演算装置（8 ; 8A)とを有するものである。本発明によれば、スキヤタロメトリ 方式で 2つのマークの相対位置ずれ量を計測できる。
[0022] この場合、一例としてその第 2マーク（55)が形成された指標部材（54)と、その指標 部材のその第 2マークをその第 1マークに近接させて配置するステージ機構 (48， 49 )とを更に有する。これによつて、例えば投影露光装置において投影光学系の像面 側の第 2物体 (基板）のァライメントを行う際に、その第 2物体の第 1マークをその指標 部材の底面側に移動することによって、その第 1マークの位置をその指標部材上の 第 2マークを基準として計測できる。
[0023] また、その第 1マークとその第 2マークとはピッチが異なっていてもよい。これによつ て、その第 1及び第 2マークの位置ずれ量をモアレパターンに拡大して容易に検出で きる。
また、本発明によるデバイス製造方法は、リソグラフイエ程を含むデバイス製造方法 であって、そのリソグラフイエ程で本発明の露光方法を用いてデバイスパターン (R) を感光体 (W)に転写するものである。本発明によれば、露光時の重ね合わせ精度等 が向上するため、デバイスを高精度に製造できる。
発明の効果
[0024] 本発明によれば、互いにピッチの異なるマークを用いているため、スキヤタロメトリ又 はリフレクトメトリを用いたときに、 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を例えば モアレパターンに拡大して容易に求めることができる。
また、本発明によれば、 2つのマークを異なるレイヤに形成しておくことによって、 2 層の重ね合わせ誤差を特に準備工程等を設けることなく容易に計測することができる
[0025] また、本発明の露光方法及び装置によれば、スキヤタロメトリ又はリフレクトメトリを用 レ、て高精度にァライメントを行うことができる。
図面の簡単な説明
[0026] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態の重ね合わせ誤差の計測装置を示す図であ る。
[図 2]図 2は、図 1の分光反射率検出装置 10を +X方向に見た側面図である。
[図 3]図 3は、図 1における計測対象の 2層のマーク構造を示す要部の拡大断面図で ある。
[図 4]図 4は、図 1の分光反射率検出装置 10で得られる分光反射率の一例を示す図 である。
[図 5]図 5は、図 3の 2つのマーク 25A, 28Aの相対位置ずれ量と、正反射光によって 得られる或る波長における反射率分布との関係を示す図である。
[図 6]図 6 (A)は本発明の第 2の実施形態の分光反射率検出装置 10Aを示す図、図 6 (B)は図 6 (A)の側面図である。
[図 7]図 7は、本発明の第 3の実施形態のプロキシミティ方式の露光装置を示す図で ある。
[図 8]図 8は、本発明の第 4の実施形態の投影露光装置を示す図である。
[図 9]図 9は、第 1の実施形態において 2つのマークの相対位置ずれ量を求める際の 動作の一例を示すフローチャートである。
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、本発明の好ましい第 1の実施の形態につき図 1一図 3及び図 9を参照して説 明する。本例は、スキヤタロメトリ (Scatterometry)の一種であるリフレクトメトリ
(Reflectometry)方式で重ね合わせ誤差を計測する場合に本発明を適用したもので ある。
図 1は、本例の重ね合わせ誤差の計測装置を示し、この図 1において、計測対象の ウェハ Wの上層には第 2マークとしてのマーク 28A, 28B, 28Cが形成され、これら のマークの下層にはそれぞれ不図示の第 1マーク（詳細後述）が形成されている。本 例ではその下層の中央の第 1マークに対する上層の中央のマーク 28Aの相対位置 ずれ量を計測するものとする。その他のマーク対の相対位置ずれ量も同様に計測さ れる。なお、本例ではウェハ W上の計測対象のマーク対は 3箇所に配置されている が、その配置及び個数は任意である。以下では、その相対位置ずれの計測方向に 沿って X軸を取り、そのウェハ Wの載置面において X軸に直交する方向に Y軸を取り 、その載置面に垂直な方向に Z軸を取って説明する。
[0028] 先ず、ウェハ Wは不図示のウェハホルダを介してウェハテーブル 1上に真空吸着 によって保持されている。ウェハテーブル 1は Z方向の位置を制御するための Zステ ージ 2上に固定され、 Zステージ 2は XYステージ 3上に固定されている。 XYステージ 3は、定盤 4上のほぼ水平で高い平面度を有するガイド面 (XY平面に平行な面）上 に X方向、 Y方向に移動できるように載置されている。 XYステージ 3は、駆動モータ 及びボールねじ等を含む駆動機構 (不図示）によって定盤 4上で X方向、 Y方向に駆 動される。
[0029] ウェハテーブル 1 (ウェハ W)の X方向、 Y方向の位置は、レーザ干渉計 5によって 例えば 10— lnm程度の分解能で計測されており、ウェハテーブル 1の Z軸の回りの 回転角（ョーイング量)も計測されている。これらの計測値は装置全体の動作を制御 するコンピュータよりなる主制御系 7及びステージ駆動系 6に供給されており、ステー ジ駆動系 6は、その計測値及び主制御系 7からの制御情報に基づレ、て、その駆動機 構を介して XYステージ 3 (ウェハ W)の位置を制御する。また、ステージ駆動系 6は、 主制御系 7からの制御情報に基づいて Zステージ 2の高さを制御する。
[0030] 本例のウェハテーブル 1の上方には、分光反射率検出装置 10 (分光検出装置）が 不図示のコラムによって支持されており、分光反射率検出装置 10からの検出信号が コンピュータよりなるデータ処理装置 8 (演算装置）に供給されている。データ処理装 置 8は、後述のようにウェハ W上の 2層のマークの相対位置ずれ量を求めて主制御 系 7に供給する。
分光反射率検出装置 10において、不図示のハロゲンランプ等の白色光源から射 出された光が光ファイバ ·バンドル 11を介して導かれてレ、る。光ファイバ ·バンドル 11 力 射出されて不図示のフィルタ板によって波長選択された 300— lOOOnm程度の 波長域の検出光 DLは、コンデンサレンズ 12によって照明視野絞り 13上に集光され る。照明視野絞り 13の絞りを通過した検出光 DLは、レンズ 14を介してビームスプリツ タ 15に入射し、ビームスプリッタ 15で反射された検出光 DLは、第 1対物レンズ 16を 介してウェハ W上の計測対象の上層のマーク 28Aに垂直に入射する。本例では、検 出光 DLとウェハ Wとを計測方向（本実施形態では X方向）に相対移動（走査）して計 測を行うため、ウェハ W上での検出光 DLの照明領域は直径 1一 10 μ m程度の円形 スポット領域に絞られてレ、る。
[0031] そして、ウェハ Wの上層（第 2レイヤ)及び下層（第 1レイヤ）からの実質的に正反射 光 22のみが、第 1対物レンズ 16及びビームスプリッタ 15を経て開口絞り 17を通過し て第 2対物レンズ 18に至る。第 1対物レンズ 16、ビームスプリッタ 15、開口絞り 17、及 び第 2対物レンズ 18よりなる受光光学系としての結像光学系の光軸 BXは、 Z軸に平 行である。この場合、マーク 28A及び第 1レイヤのマークでの回折及び反射によって 計測方向（X方向）に発生する反射回折光 23B (正反射光 22以外の反射回折光）は 、第 1対物レンズ 16には入射しなレ、か、又は開口絞り 17で遮光される。このように本 例はリフレクトメトリ方式であり、実質的にウェハ Wからの正反射光 22のみを検出でき ればよいため、第 1対物レンズ 16及び第 2対物レンズ 18としては、開口数 (NA)が例 えば 0. 1程度と小さい簡単な光学系を使用することができる。開口絞り 7を通過した 正反射光 22は、第 2対物レンズ 18によって集光されて、 Y方向に所定ピッチで形成 された回折格子 19 (分光光学系）を経て、 1次元の CCD型等の撮像素子 20 (光電セ ンサ）の撮像面にその円形スポット領域の像を形成する。回折格子 19としては、回折 効率を高めるために位相型の回折格子、例えばブレーズド型の回折格子が望ましい
[0032] 図 2は、図 1の分光反射率検出装置 10を X方向に見た側面図であり、この図 2にお いて、第 2対物レンズ 18によって集光された正反射光 22は、回折格子 19における例 えば 1次の回折によって Y方向に波長別の J個の光束 24 (j = l— J)に分光される。検 出光 DL (正反射光 22)の波長域を; 1 1一; 1 2とすると、その J個の光束 24 の中心波 長 及び分割幅 Δ λは近似的に次のようになる。
[0033] λ] = λ 1 + (j-1) Δ λ
Δ λ = ( λ 2- λ 1) / α-1) · ' · (2)
本例の波長域は 300— lOOOnmであり、波長の分割 ¾Jを例えば 20— 200程度と すると、波長の分割幅 Δ λは 35— 3· 5nm程度である。そして、分光され^ J個の光 束 24 はそれぞれ撮像素子 20の対応する j番目の画素 21 に入射して光電変換され る。従って、本例の撮像素子 20は、 J個以上の画素が一次元的に配列されたもので ある。各画素 21. (j = l— J)で光電変換された検出信号は、順次図 1のデータ処理装 置 8内でアナログ/デジタル (A/D)変換されて第 1メモリに格納される。また、図 2 において、予めウェハ Wの位置に例えば反射率が均一で高レ、ミラー（基準反射物） を設置して、検出光 DLの出力を計測時と同じレベルに設定した状態で、撮像素子 2 0の各画素 21 の検出信号をデータ処理装置 8内に取り込んで A/D変換した値力 基準データとして第 2メモリに格納されている。そこで、データ処理装置 8内の演算処 理部では、その第 1メモリに格納されている各画素 21 の検出信号をその第 2メモリに 格納されている各画素 21 の基準データで除算することによって、対応する波長 j 毎の正反射光 22の反射率 R ( j)を求める。この波長 j毎の反射率 R ( ij) (分光反 射率）は、図 1のマーク 28Aの X方向の位置に応じて（マーク 28Aと検出光 DLとの X 方向における相対位置毎に）第 3メモリに格納される。
[0034] 図 4は、図 1の分光反射率検出装置 10によって計測されるウェハ Wの或る X方向の 位置での分光反射率の一例を示し、この図 4において、横軸は検出光 DLの波長; I ( nm)の一部、縦軸はその波長 λでの反射率 R ( ;i )を表している。実際には波長; Iに 関しては分割幅 Δ λで分割された複数の波長 λ jでの反射率 R ( λ j)が計測される。 本例では、例えばその複数の反射率中で最も大きい反射率が得られる波長 λ aでの 反射率 R (え a)を、マーク 28A上で計測方向 (X方向）に沿って計測することで、 2層 のマークからの正反射光 22の計測方向の反射率分布を得る。
[0035] その反射率分布から 2つのマークの相対位置ずれ量を求める方法を説明するため に、本例のその 2つのマークの構造につき図 3を参照して説明する。
図 3は、図 1のウェハ Wの上層（以下、「第 2レイヤ」と呼ぶ）のマーク 28A (第 2マー ク）、及びその下層（以下、「第 1レイヤ」と呼ぶ）のマーク 25A (第 1マーク）の構造を 示す拡大断面図であり、この図 3において、ウェハ Wは例えばシリコン（Si)の基板で ある。このウェハ Wの第 1レイヤとしての表面の X方向の幅 Dの領域に、 X方向にピッ チ P1で凸部 26を配列してなる格子状のマーク 25Aが形成されている。ウェハ W上 にそのマーク 25Aを覆うように第 2レイヤとしての中間層 27が形成され、中間層 27上 の X方向の幅 Dの領域に、 X方向にピッチ P1と僅かに異なるピッチ P2で凸部 29を配 歹 IJしてなる格子状のマーク 28Aが形成されている。この場合、第 1レイヤのマーク 25 A、第 2レイヤとしての中間層 27、及びその上のマーク 28Aは、重ね合わせ誤差の評 価対象のリソグラフイエ程で形成されるものであり、第 2レイヤのマーク 28Aを構成す る凸部 29は、通常はフォトレジストのパターンである。なお、本実施形態では、凸部 2 6を有するマークとして以降の説明を進める力 S、凸部の代わりに凹部が形成されてい るマークであっても、本発明を適用できることは勿論である。
[0036] また、第 1レイヤのマーク 25Aを構成する凸部 26は、例えばウェハ Wと同じシリコン か、又はチタン (Ti)やタングステン (W)等の金属より形成される。なお、凸部 26がシ リコンである場合には、その上にシリコンと金属との化合物（silicide)又はゲート酸化 膜等の薄い層が形成されることもある。そして、中間層 27は、本例では図 1の分光反 射率検出装置 10からの検出光 DLの波長域内の少なくとも一部の光を透過する単一 又は複数の誘電体 (dielectrics)等のレイヤである。そのような誘電体のレイヤには、 例えば STI(Shallow Trench Isolation)用の酸化膜、ポリシリコン、窒化ケィ素（SiN)、 及び ILD(inter-layer dielectrics)などがある。更に、検出光 DLに対する反射率を高 めるために、必要に応じてウェハ Wの表面、中間層 27の内部の層、及び中間層 27 の表面等に反射防止膜 (Anti- Reflection Coating: ARC)力 S形成されることもある。
[0037] なお、第 1レイヤのマーク 25Aに対する第 2レイヤのマーク 28Aの相対位置ずれに 関する情報（2層間の重ね合わせ誤差の情報）が計測できるためには、次の（3)式の 条件が満たされて、第 2レイヤのマーク 28Aで発生する 0次以外の回折光が第 1レイ ャのマーク 25Aに達し、逆に第 1レイヤのマーク 25Aで発生する 0次以外の回折光 が第 2レイヤのマーク 28Aに達することができる必要がある。ここで、 λ ΐは検出光 DL のうち最も短波長側の光の空気中での波長、 ηは中間層 27の空気に対する屈折率 の最小値、 ΝΑは図 1の第 1対物レンズ 16及び第 2対物レンズ 18を含む結像光学系 の開口数、ピッチ Ρは上記のピッチ P1及び Ρ2のうち小さい方の値である。
[0038] (η+ΝΑ) Ρ > λ 1 …（3)
この条件が満たされると、図 3において、垂直入射の検出光 DLに対して 0次回折光 (透過光） 23Αの他に、第 2レイヤのマーク 28Αで発生した 1次以上の透過回折光 23 Cの一部が第 1レイヤのマーク 25Αでほぼ垂直上方に回折され、これが検出対象の 正反射光 22となる。また、 0次回折光 23Αの一部は第 1レイヤのマーク 25Αでの回 折によって 1次以上の反射回折光 23Βとなるが、既に説明したように反射回折光 23 Βは図 1の分光反射率検出装置 10では検出されない。一方、（3)式の条件が満たさ れないと、第 2レイヤのマーク 28Αに入射した検出光 DLは、全てエバネッセント光 23 Dとなって中間層 27で減衰してしまうため、重ね合わせ誤差の情報は得られない。
[0039] 次に、マーク 25Αのピッチ P1及びマーク 28Αのピッチ Ρ2の数値例について説明 する。スキヤタロメトリでは、その利点として、デバイスパターンと同じピッチのマークで 計測を行うことができる。そのデバイスパターンのピッチを仮に 200nmとする。また、 図 3におけるマーク 25A， 28A全体のそれぞれの計測方向（X方向）の幅 Dは、現在 使用されているマークの幅と同程度か又はそれより短い長さ、例えば 50 μ m程度が 望ましい。
[0040] その結果、図 3において、第 1レイヤのマーク 25Aのピッチ P1は 200nmとなり、幅 D の中に凸部 26は 250本配置されるため、次式が成立する。
P1 = 50/250 ( μ m) = 200 (nm) …（4)
また、第 2レイヤのマーク 28Aは、幅 Dの中に凸部 29を 251本配置するように構成 する。この結果、マーク 28Aのピッチ P2は、次のようにピッチ P1より僅かに短くなる。 なお、（3)式の条件を十分に満たすためには、ピッチ PI , P2を l z m程度まで長く設 定してもよい。
[0041] P2 = 50/251 ( x m) = 199. 2 (nm) …（5)
この場合、 2層のマーク 25A, 28Aによって形成されるモアレパターンの計測方向（ X方向）のピッチ PMは次のようになる。
ΡΜ = Ρ1 · Ρ2/ (Ρ1-Ρ2) - - - (6)
(6)式に（4)式及び（5)式を代入することによって、モアレパターンのピッチ ΡΜは マーク幅 Dと同じ 50 μ mとなる。
[0042] 図 3は、第 1レイヤのマーク 25Aと第 2レイヤのマーク 28Aとが完全に重なっている 状態を示している。即ち、マーク 25A, 28Aの左端部の凸部 26L, 29L、及びマーク 25A, 28Aの右端部の凸部 26R, 29Rはそれぞれ実質的に重なっており、第 2レイ ャのマーク 28Aの中央の凸部 29Cは、第 1レイヤのマーク 25Aの中央の 2つの凸部 26C1 , 26C2の間に位置しており、マーク構造は左右対称である。また、マーク 25A , 28Aの中央を原点として、その原点力も X軸に沿って土 D/4 ( = 12. 5 μ ΐη)離れ た位置の近傍では、第 1レイヤのマーク 25Αに対して第 2のレイヤのマーク 28Αが 1 /4ピッチだけ左右にずれる状況が実現され、これらの部分で反射率が急激に変化 して、リフレクトメトリの位置ずれ感度は最大となる。従って、 2層のマーク 25Α, 28Α 力、らの正反射光 22による反射率の X方向への分布 R (X)は、ピッチ 50 μ mのモアレ パターンに対応した分布となる。
[0043] 図 5 (A) (E)は、図 3の第 1レイヤのマーク 25Aと第 2レイヤのマーク 28Aとの X方 向への相対位置ずれ量と、それらのマークからの正反射光による或る波長での X方 向への反射率の分布 R (X)との関係を示している。即ち、図 5 (A)はマーク 25A, 28 Aが完全に重なっている状態で、得られる反射率分布 R (X)は中央が最大となる左 右対称の正弦波状となる。図 5 (B)は、図 5 (A)の状態から第 2レイヤのマーク 28Aが ェ/4ピッチ（ = P2/4)だけ +X方向にずれた状態を示し、得られる反射率分布 R (X )も図 5 (A)の分布に対して 1/4ピッチ（ = DZ4)だけ + X方向にずれる。同様に図 5 (C) , (D) , (E)は図 5 (A)の状態から第 2レイヤのマーク 28Aがそれぞれ 1Z2ピッ チ（ = P2/2)、 3Z4ピッチ（ = 3 ·Ρ2Ζ4)、及び 1ピッチ（ = P2)だけ + X方向にず れた状態を示し、得られる反射率分布 R (X)も図 5 (A)の分布に対してそれぞれ 1Z 2ピッチ（180° で、図 5 (A)に対して反転）、 3/4ピッチ（= 3 'D/4)、及び 1ピッチ (360° で、図 5 (A)と実質的に同じ)ずれた分布となる。
[0044] このように、マーク 28Aの位置ずれ量がモアレパターンの位置ずれ量としてほぼ（D /P2)倍 (本例では約 250倍）に拡大されている。従って、反射率分布を検出して、 そのモアレパターンの位置ずれ量 (位相）を求めることによって、第 1レイヤのマーク 2 5Aに対する第 2レイヤのマーク 28Aの位置ずれ量、ひいては第 1レイヤに対する第 2 レイヤの重ね合わせ誤差を高精度に求めることができる。
[0045] ここで、図 1の分光反射率検出装置 10を用いて実際に 2つのマークの相対位置ず れ量を計測する場合の動作の一例につき、図 9のフローチャートを参照して説明する 。先ず、主制御系 7の制御のもとで、図 9のステップ 101において、図 1の XYステージ 3を駆動して、ウェハ Wの検出対象の上層のマーク 28Aの +X方向の端部力 分光 反射率検出装置 10からの検出光 DLの照明領域の一 X方向の端部に数/ m程度の 間隔をあけて近接するようにウェハテーブル 1 (ウェハ W)を移動する。このためには 、例えば予め不図示の顕微鏡等を用いて、ウェハ Wの上層のマーク 28A— 28Cの X 方向、 Y方向の位置を例えば 1 μ m程度の比較的粗い精度で求めておけばよい。次 のステップ 102において、分光反射率検出装置 10からウェハ W上に検出光 DLを垂 直に照射する。後述のように本例では次第に XYステージ 3を介してウェハ Wを +X 方向に移動するため、検出光 DLは次第に図 3の上層のマーク 28A及び下層のマー ク 25Aに照射されるようになる。
[0046] 次のステップ 103において、図 1の分光反射率検出装置 10の撮像素子 20で 2つの マーク 25A, 28Aからの正反射光 22を画素毎（波長別）に分光した光束を受光し、 得られた検出信号をデータ処理装置 8に供給する。データ処理装置 8内の演算処理 部では、上述のように各画素毎の検出信号を予め求められている基準データで除算 することによって、波長 j毎の分光反射率 R (え j) (j = l一 J)を求め、これらを XYス テージ 3 (ウェハ W)の X方向の位置に対応させて記憶する。
[0047] 次のステップ 104において、第 2レイヤのマーク 28Aの計測方向（X方向）の全幅を 含む領域を検出したかどうかを判定する。本例のマーク 28Aの計測方向の幅 Dは 50 μ mであるため、一例としてステップ 101の状態からウェハ Wを +X方向に幅 Dに 10 μ m程度をカ卩えた距離だけ移動したかどうかを調べればよい。それだけの移動が行 われていない場合には、動作はステップ 105に移行して、主制御系 7は XYステージ 3を計測方向である +X方向に Δ Χ (例えば 0. 1— l z m程度）だけ移動する。その 後、動作はステップ 102及び 103に戻り、分光反射率検出装置 10からウェハ W上の マーク 25A, 28Aに検出光 DLを垂直に照射して、マーク 25A， 28Aからの正反射 光 22を波長別に撮像素子 20で受光して、得られる検出信号をデータ処理装置 8に 供給する。ステップ 102— 105の動作はマーク 28Aの計測方向の全領域からの正反 射光を受光するまで繰り返され、その全領域からの正反射光を受光した時点で、動 作はステップ 104力もステップ 106に移行する。
[0048] そして、データ処理装置 8の演算処理部は、撮像素子 20から供給された後、基準 データで除算して得られている検出データ、即ちウェハ Wの X方向の位置に対応さ せて記憶されている分光反射率 R (え j)を処理して、図 3の第 1レイヤのマーク 25Aに 対する第 2レイヤのマーク 28Aの X方向への位置ずれ量を求める。そのためにデータ 処理装置 8の演算処理部は、一例として、ウェハ Wの X方向の各位置毎に得られて レ、る分光反射率 R ( λ j)の中で平均的に最も反射率の高レ、波長 λ j (これを λ aとする )を特定する。次に、その演算処理部は、ウェハ Wの X方向の各位置毎に波長; l aで の反射率 R ( I a)を配列して反射率分布 R ( λ a, X)を求める。この反射率分布 R ( λ a, X)は、図 5 (A)—（E)の反射率分布 R (X)の何れカ つの隣り合う分布の中間的 な分布となっている。そこで、例えば補間を行うことによって、その反射率分布 R ( a , X)からマーク 25Αに対するマーク 28Αの X方向への位置ずれ量 δ ΧΑ (-Ρ2/2 < δ ΧΑ≤+ Ρ2/2)を求めることができる。 [0049] なお、本例では、重ね合わせ誤差が 0の状態が図 5 (A)の状態であるため、反射率 分布 R ( a, X)が図 5 (C)から図 5 (D)、又は図 5 (D)から図 5 (E)の範囲にあるとき には、マーク 28Aの位置ずれ量 δ ΧΑは負の範囲（一 P2/2く δ ΧΑ≤0)にあるとし て扱う。これによつて、図 1の第 2レイヤの中央のマーク 28Αの位置ずれ量の計測が 終わり、同様にして他のマーク 28Β, 28Cの第 1レイヤのマークに対する位置ずれ量 も計測すること力 Sできる。そして、マーク 28Α— 28Cの位置ずれ量力 第 1レイヤに対 する第 2レイヤの各マークの位置における X方向の重ね合わせ誤差となる。
[0050] このように本例では、スキヤタロメトリの一種であるリフレクトメトリを用いて 2つのマー クの相対位置ずれ量を計測しているため、その受光光学系としての分光反射率検出 装置 10中の結像光学系は小さい開口数の簡単な構成の光学系を使用することがで きる。し力、も、その計測結果には、その結像光学系の収差の影響は殆どないとともに 、 2層のマーク 25Α， 28Αの非対称性の影響も殆どなレ、。また、一体化されたマーク 25Α, 28Αからの正反射光 22のみを受光しているため、仮に計測中に ΧΥステージ 3の振動等があっても、相対位置ずれ量の計測結果は殆ど影響を受けないとレ、う利 点もある。
[0051] なお、上記の実施形態では、分光反射率検出装置 10からの検出光 DLとマーク 25 A, 28Αとを計測方向に相対移動するために ΧΥステージ 3 (ステージ機構）を用いて いる力 その他に振動ミラー等を用いて検出光 DLをウェハ W上で計測方向に走査 してもよい。
次に、本発明の第 2の実施形態につき図 6を参照して説明する。本例は、図 1の分 光反射率検出装置 10中の 1次元の撮像素子 20の代わりに 2次元の撮像素子を用い るものであり、図 6において図 1及び図 2に対応する部分には同一又は類似の符号を 付して、その詳細説明を省略する。
[0052] 図 6 (Α)は、本例の分光反射率検出装置 10Aを示す図、図 6 (Β)は図 6 (Α)の側面 図であり、図 6 (Α)， （Β)において本例の照明視野絞り 13Aは、図 1の照明視野絞り 1 3に比べてウェハ W上の広い領域を照明できるように設定されている。即ち、本例の 検出光 DLは、ウェハ W上の第 2レイヤのマーク 28Αの計測方向（X方向）の幅（本例 では 50 μ m)を全部覆うような照明領域、例えば X方向の幅が 100 μ m程度で Υ方向 の幅が 10 / m程度の照明領域を照明する。また、本例の撮像素子 20Aは、複数の 画素 21 (j = l— J, k= l一 K)がほぼ Y方向に J個 Jは 20— 200程度）で、かつ X方
Jk
向に K個（Kは 100— 500程度）で 2次元的に配置されている。 Kが 100であるとする と、計測方向のマーク像の分解能は l x mとなる。この他の構成は図 1の実施形態と 同様である。
[0053] 本例において、ウェハ Wの上層のマーク 28Aの計測方向の全部の幅を覆うように 垂直入射した検出光 DLによる正反射光 22が、第 1対物レンズ 16、ビームスプリッタ 1 5、開口絞り 17、及び第 2対物レンズ 18よりなる結像光学系（受光光学系）によって集 光される。このように集光された正反射光 22は、回折格子 19 (分光光学系）によって 波長別に分光されて撮像素子 20Aの各画素 21 に受光される。本例でも予め、ゥェ jk
ハ Wの代わりにミラー（基準反射物）を配置して正反射光 22を受光することによって、 各画素 21 毎に基準データが求められて、これが図 1のデータ処理装置 8に対応す jk
る処理装置に記憶されている。その処理装置では、各画素 21 の検出信号をその基 準データで除算することによって反射率 Rjkを求める。この反射率 Rjkのうち、 X方向 に k番目（k= l一 K)の列で、かつほぼ Y方向に配列された一列の画素 21 (j = l—】 )に対応する反射率は、ウェハ Wの X方向の各位置毎の図 4の波長別の反射率 R (X ) (分光反射率）に対応している。そして、本例では、マーク 28Aの計測方向の各位 置における分光反射率が一度の撮像によって得られたことになる。
[0054] その反射率 Rjkのデータから第 1レイヤのマークに対する第 2レイヤのマーク 28Aの X方向への位置ずれ量を計測するためには、例えば第 1の実施形態と同様に、 X方 向の各位置毎の分光反射率 Rjk (j = 1一 J)中から最も反射率の高レ、波長 (j = aとする )を特定すればよい。そして、その波長での反射率 Rakを X方向の各位置 (k= l一 K )に沿って並べることで、計測方向への反射率分布 R (X)が得られるため、リフレクトメ トリ方式でその反射率分布 R (X)から第 1の実施形態と同様にマーク 25Aに対するマ ーク 28Aの相対位置ずれ量、ひいては第 1レイヤに対する第 2レイヤの重ね合わせ 誤差を求めることができる。
[0055] この際に本例では 2次元の撮像素子 20Aが用いられているため、分光反射率検出 装置 10Aとウェハ Wとを計測方向に機械的に相対移動する必要が無ぐ高精度にか つ効率的に 2層間の重ね合わせ誤差を求めることができる。
次に、本発明の第 3の実施形態につき図 7を参照して説明する。本例はプロキシミ ティ方式の露光装置でァライメントを行う場合に本発明を適用したものである。
[0056] 図 7は、本例のプロキシミティ方式の露光装置を示し、この図 7において露光時には 、例えば KrFエキシマレーザ（波長 248nm)等の露光光源（不図示）からの露光光 IL (露光ビーム）は、照明光学系 31を介してマスク（第 1物体）としてのレチクル Rのバタ ーン面（下面）のパターン領域を均一な照度分布で照明する。照明光学系 1は、照度 分布均一化用のオプティカル 'インテグレータ、照明領域を規定する視野絞り（レチタ ルブラインド）、及びコンデンサレンズ系等から構成されている。
[0057] そして、露光光 ILのもとで、レチクル R上の回路パターンが、フォトレジストが塗布さ れた基板（第 2物体）としてのウェハ W上に投影される。なお、ウェハ Wの他にフォトレ ジストが塗布されたガラスプレート等も使用される。以下、照明光学系 31の光軸に平 行に Z軸を取り、 Z軸に垂直な平面内で図 7の紙面に平行に X軸を取り、図 7の紙面 に垂直に Y軸を取って説明する。
[0058] このとき、レチクル Rはレチクルステージ 32上に吸着保持され、レチクルステージ 32 は、レチクルベース 33上に X方向、 Y方向、及び Z軸の回りの回転方向に不図示の 駆動機構によって微動できるように載置されている。レチクルステージ 32の X方向、 Y 方向の位置、及び回転角は不図示のレーザ干渉計によって例えば lnm程度の分解 能で計測されている。
[0059] 一方、ウェハ Wは不図示のウェハホルダを介してウェハテーブル 36上に真空吸着 によって保持されており、このウェハテーブル 36が Z方向の位置を制御するための Z ステージ 37上に固定され、 Zステージ 37は XYステージ 38上に固定されている。 XY ステージ 38は、定盤よりなるウェハベース 39上にエアーベアリングを介して X方向、 Y方向に移動できるように載置されてレ、る。ウェハテーブル 36 (ウェハ W)の X方向、 Y方向の位置及び回転角は、不図示のレーザ干渉計によって例えば lnm程度の位 置分解能で計測されており、この計測結果に基づいて不図示の駆動機構が XYステ ージ 38を駆動する。
[0060] さて、この露光が重ね合わせ露光であるとすると、その露光前に予めレチクル Rとゥ ェハ Wとのァライメントを行っておく必要がある。そのため、レチクル Rのパターン面の パターン領域の近傍の 2箇所にァライメントマーク（レチクルマーク） RM1 , RM2が形 成され、それに対応するようにウェハ W上にもァライメントマーク（ウェハマーク) WM 1 , WM2が形成されている。なお、 2つのレチクルマーク RM1 , RM2の位置は Y方 向に大きくずれているものとする。また、本例においても、計測方向におけるレチクル マーク RM1 , RM2のピッチはウェハマーク WM1 , WM2のピッチと僅かに異なって いる。そして、一方のウェハマーク WM1 (第 1マーク）及びレチクルマーク RM1 (第 2 マーク）の上方に光路折り曲げ用のミラー 34Aを介して図 6の分光反射率検出装置 1 OAと同じ構成のァライメントセンサ 35Aが配置され、他方のウェハマーク WM2 (第 1 マーク）及びレチクルマーク RM2 (第 2マーク）の上方にも光路折り曲げ用のミラー 34 Bを介して図 6の分光反射率検出装置 10Aと同じ構成のァライメントセンサ 35Bが配 置されている。
[0061] 本例では、ァライメントセンサ 35A及び 35Bは、それぞれリフレクトメトリ方式でゥェ ハマーク WM1 , WM2に対するレチクルマーク RM1, RM2の計測方向（例えば X方 向）の位置ずれ量を計測する。この際に、レチクル Rのパターン面とウェハ Wの上面と の間隔は例えば数 10 μ mであり、その間隔での検出光の減衰等は殆ど生じないた め、上下の 2つのマーク間の位置ずれ量を簡単な光学系のァライメントセンサ 35A, 35Bによって高精度に計測することができる。
[0062] なお、不図示であるが、実際にはレチクル Rとウェハ Wとの Y方向の位置ずれ量を 計測するためのピッチが僅かに異なるレチクルマーク及びウェハマークも形成されて おり、これらのマーク間の Y方向への位置ずれ量を計測するための図 6の分光反射 率検出装置 10Aと同じ構成のァライメントセンサも設けられている。これらの計測値に 基づいて、ウェハ Wとレチクル Rとを高精度に位置合わせした状態でレチクル Rのパ ターンをウェハ W上に投影することができる。
[0063] なお、本例では、レチクルマーク RM1 , RM2のピッチをウェハマーク WM1， WM2 のピッチと等しくしてもよレ、。この場合には、例えばウェハマーク WM1を 2つのマーク に分け、レチクルマーク RM1をピッチが設計値で + 1Z4ピッチ及び一 1/4ピッチ異 なる 2つのマークに分けておき、それら 2対のマークからの正反射光に基づいて得ら れる分光反射率からウェハマークに対するレチクルマークの位置ずれ量を計測して あよい。
[0064] 次に、本発明の第 4の実施形態につき図 8を参照して説明する。本例は投影露光 装置でウェハァライメントを行う場合に本発明を適用したものである。
図 8は、本例で使用される走查露光型の投影露光装置を示し、この図 8において露 光時には、例えば KrF又は ArF (波長 193nm)よりなるエキシマレーザ光源等の露 光光源 (不図示）からの露光光 IL (露光ビーム）は、照明光学系 41を介してマスク（第 1物体）としてのレチクル Rのパターン面の細長い照明領域を均一な照度分布で照明 する。
[0065] そして、露光光 ILのもとで、レチクル R上の回路パターンの一部の像力 S、両側テレ セントリックな投影光学系 PLを介して投影倍率 /3 ( /3は 1Z5， 1Z4等）で、基板 (第 2物体）としてのウェハ W上の一つのショット領域上の細長レ、露光領域に投影される。 ウェハ Wは例えば半導体（シリコン等）又は SOKsilicon on insulator)等の直径が 150 一 300mm程度の円板状の基板であり、その表面にフォトレジストが塗布されている。 以下、投影光学系 PLの光軸 AXに平行に Z軸を取り、 Z軸に垂直な平面内で図 8の 紙面に平行に X軸を取り、図 8の紙面に垂直に Y軸を取って説明する。本例の走査 露光時のレチクル R及びウェハ Wの走査方向は Y方向である。
[0066] このとき、レチクル Rはレチクルステージ 42上に吸着保持され、レチクルステージ 42 は、レチクルベース 43上にエアーベアリングを介して Y方向に一定速度で駆動され、 かつ X方向、 Y方向、及び Z軸の回りの回転方向に微動できるように載置されている。 レチクルステージ 42の X方向、 Y方向の位置、及び回転角はレチクルステージ駆動 系 45内のレーザ干渉計によって計測されている。この計測値及び装置全体の動作 を制御するコンピュータよりなる主制御系 44からの制御情報に基づいて、レチクルス テージ駆動系 45は、リニアモータ等の駆動機構（不図示）を介してレチクルステージ 42の速度及び位置を制御する。
[0067] 一方、ウェハ Wは不図示のウェハホルダを介してウェハテーブル 46上に真空吸着 によって保持されており、このウェハテーブル 46が Z方向の位置及び X軸、 Y軸の回 りの傾斜角を制御するための Zチルトステージ 47上に固定され、 Zチルトステージ 47 は XYステージ 48上に固定されている。 ΧΥステージ 48は、定盤よりなるウェハべ一 ス 49上にエアーベアリングを介して Υ方向に一定速度で移動でき、かつ X方向、 Υ方 向にステップ移動できるように載置されている。また、投影光学系 PLの下部側面に、 ウェハ Wの表面に複数のスリット像を斜めに投影する投射光学系 51Aと、ウェハ Wか らの反射光を受光してそのスリット像を再結像して、この再結像された像のシフト量に 応じた信号を出力する受光光学系 51Bとからなる斜入射方式の多点のオートフォー カスセンサが配置されている。走查露光時には、このオートフォーカスセンサの計測 値に基づいてウェハ Wの表面が投影光学系 PLの像面に合わせ込まれる。
[0068] ウェハテーブル 46 (ウェハ W)の X方向、 Y方向の位置及び回転角は、ウェハステ ージ駆動系 50内のレーザ干渉計によって例えば lnm程度の位置分解能で計測さ れている。この計測値及び主制御系 44からの制御情報に基づいて、ウェハステージ 駆動系 50は、リニアモータ等の駆動機構（不図示）を介して XYステージ 48 (ウェハス テージ）の速度及び位置を制御する。
[0069] そして、ウェハ Wに対する走査露光時には、レチクルステージ 42及び XYステージ 48を駆動して、露光光 ILの照明領域及びこれに投影光学系 PLに関して共役な露 光領域に対してそれぞれレチクル Rとウェハ W上の一つのショット領域とを Y方向に 同期走査する動作と、 XYステージ 48を駆動してウェハ Wを X方向、 Y方向にステツ プ移動する動作とが繰り返される。この動作によって、ステップ'アンド'スキャン方式 でウェハ W上の各ショット領域にレチクル Rのパターン像が露光される。
[0070] さて、この露光が重ね合わせ露光であるとすると、その露光前に予めレチクル Rのァ ライメント及びウェハ Wのァライメントを行っておく必要がある。そのため、レチクル R の上方には、例えば日本国特開平 7—176468号公報等に開示されているレチクル ァライメント顕微鏡 (不図示）が配置されている。また、ウェハ W上の各ショット領域に はそれぞれァライメントマークとしてのウェハマーク WMが付設されており、そのゥェ ハマークの位置を検出するために、投影光学系 PLの側面にオフ'ァクシス方式で図 6の分光反射率検出装置 10A (計測方向を X方向とする）と同じ構成のァライメントセ ンサ 60が配置されている。なお、ウェハマーク WMの X方向、 Y方向の位置を計測す るために、ァライメントセンサ 60には、図 6の分光反射率検出装置 10Aを 90° 回転し た構成の Y軸のセンサも内蔵されている。ァライメントセンサ 60の検出信号がデータ 処理装置 8Αによって処理されてウェハマーク WMの位置が計測され、計測結果が 主制御系 44に供給される。
[0071] また、本例のァライメントセンサ 60は、リフレクトメトリ方式であるため、ウェハマーク WM (第 1マーク）の位置を計測するための基準となるマーク（指標マーク）が必要で ある。そこで、投影光学系 PLの下端近傍に不図示のコラムによって光透過性の指標 板 54が支持され、指標板 54の下面に指標マーク 55 (第 2マーク）が形成されている。 指標マーク 55のピッチはウェハマーク WMのピッチと僅かに異なっている。この指標 板 54とウェハ（被計測対象物）との間には、何らの光学系も介在しない構成となって いる。また、ァライメントセンサ 60からの検出光を指標板 54に垂直入射させるために 、光路折り曲げ用のミラー 52及び 53も設けられてレ、る。
[0072] 本例では、ウェハテーブル 46上のウェハ Wの近傍にウェハマーク WMと同様に基 準マークが形成された基準マーク部材 (不図示）が設けられており、予めその基準マ ークを指標マーク 55の底面に移動した後、ァライメントセンサ 60によってリフレクトメト リ方式でその基準マークに対する指標マーク 55の位置ずれ量が計測される。この位 置ずれ量に基づいて、ァライメントセンサ 60のベースライン量が求められている。そし て、ウェハ W上のウェハマーク WMの位置を計測する際には、 XYステージ 48を駆 動してウェハマーク WMが指標マーク 55の底面に移動される。その後、ァライメント センサ 60及びデータ処理装置 8Aによって図 9のシーケンスと同様の動作によって、 指標マーク 55に対するウェハマーク WMの X方向、 Y方向への位置ずれ量が求めら れる。同様に、ウェハ W上の他の所定個数のウェハマークについても位置ずれ量が 計測され、この計測結果に基づレ、て主制御系 44がウェハ Wのァライメントを行う。
[0073] 本例においても、ウェハマーク WMのピッチと指標マーク 55のピッチとは同一であ つてもよい。
なお、上記の実施形態では、分光反射率検出装置 10， 10Aから計測対象のマー クに対して垂直入射で検出光を照射して、正反射光を検出することでリフレクトメトリ 方式で計測を行っている。その他に、計測対象のマークから斜めの所定方向に発生 する所定次数の回折光や反射光を検出するか、又は計測対象のマークに斜めに検 出光を照射して所定方向に発生する回折光や反射光を検出するなどして、一般的な スキヤタロメトリ方式でマークの位置ずれ量を計測する場合にも本発明を適用すること ができる。
[0074] なお、上記の実施の形態の露光装置及び投影露光装置は、複数のレンズから構 成される照明光学系等を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部 品からなるレチクルステージやウェハステージを露光装置本体に取り付けて配線や 配管を接続し、更に総合調整 (電気調整、動作確認等）をすることにより製造すること ができる。なお、その露光装置の製造は温度及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。
[0075] また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合 、この半導体デバイスは、デバイスの機能'性能設計を行うステップ、このステップに 基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウェハを形成するステップ、 上記の実施の形態の投影露光装置によりァライメントを行ってレチクルのパターンを ウェハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイ ス組み立てステップ (ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、 及び検査ステップ等を経て製造される。
[0076] なお、本発明は、一括露光型の投影露光装置にも同様に適用することができる。更 に本発明は、例えば国際公開（WO)第 99/49504号などに開示される液浸型露光 装置でァライメントを行う場合にも適用できる。
また、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定 されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくは プラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（CCD等）、 マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及び DNAチップ等の各種デバイスを製造するた めの露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターン が形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフイエ程を用いて製造す る際の、露光工程 (露光装置）にも適用すること力できる。
[0077] なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲 で種々の構成を取り得る。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む 2 003年 5月 28日付け提出の日本国特許出願第 2003-151703の全ての開示内容 は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
産業上の利用可能性
本発明を露光方法又はデバイス製造方法に適用した場合には、スキヤタロメトリ又 はリフレクトメトリを用いて高精度にァライメントを行うことができ、重ね合わせ精度等が 向上するため、各種デバイスを高精度に製造できる。

Claims

請求の範囲
[1] 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を求めるための位置情報計測方法にお いて、
前記 2つのマークとして互いにピッチの異なる第 1マーク及び第 2マークを用レ、、前 記 2つのマークに光ビームを照射し、前記 2つのマークから発生する所定の一つの次 数の回折光又は前記 2つのマークから所定の一つの方向に発生する光束よりなる光 のみを複数の波長別に検出する第 1工程と、
前記第 1工程の検出結果に基づいて前記 2つのマークの相対位置ずれに関する情 報を求める第 2工程とを有することを特徴とする位置情報計測方法。
[2] 前記第 1マークは物体上の第 1レイヤに形成され、前記第 2マークは、前記物体の 表面の法線方向に離れた前記物体上の第 2レイヤに形成されていることを特徴とす る請求項 1に記載の位置情報計測方法。
[3] 前記第 1マークは第 1物体上に形成され、前記第 2マークは前記第 1物体の表面の 法線方向に前記第 1物体から離れて配置された第 2物体上に形成されていることを 特徴とする請求項 1に記載の位置情報計測方法。
[4] 前記第 1工程は、前記 2つのマークを重ね合わせて得られるモアレパターンに基づ レ、た光のみを検出する工程を有することを特徴とする請求項 1一 3のいずれか一項に 記載の位置情報計測方法。
[5] 前記第 1工程は、前記 2つのマークから発生する前記複数の波長別の光を 1次元 的に配列された複数の画素を持つ光電センサを用いて検出する工程と、
前記光電センサと前記 2つのマークとを計測方向に相対変位させる工程とを有する ことを特徴とする請求項 1一 3のいずれか一項に記載の位置情報計測方法。
[6] 前記第 1工程は、前記 2つのマークから発生する前記複数の波長別の光を 2次元 的に配列された複数の画素を持つ光電センサを用いて検出する工程を有することを 特徴とする請求項 1一 3のいずれか一項に記載の位置情報計測方法。
[7] 2つのマークの相対位置ずれに関する情報を求めるための位置情報計測装置にお いて、
前記 2つのマークに光ビームを照射し、前記 2つのマークから発生する所定の一つ の次数の回折光又は前記 2つのマークから所定の一つの方向に発生する光束よりな る光を複数の波長別に検出する分光検出装置と、
前記分光検出装置の検出結果に基づいて前記 2つのマークの相対位置ずれに関 する情報を求める演算装置とを有し、
前記 2つのマークは互いにピッチの異なるマークであることを特徴とする位置情報 計測装置。
[8] 前記分光検出装置は、前記 2つのマークから発生する回折光又は光束を受光する 受光光学系と、前記受光された光を複数の波長別に分光する分光光学系と、前記分 光された光を 1次元的又は 2次元的に配列された複数の画素を介して光電変換する 光電センサとを有することを特徴とする請求項 7に記載の位置情報計測装置。
[9] 露光ビームで第 1物体を照明し、前記露光ビームで前記第 1物体を介して第 2物体 を露光する露光方法にぉレ、て、
前記第 1物体又は前記第 2物体上の第 1マークに近接させて第 2マークを配置する 第 1工程と、
前記第 1マーク及び前記第 2マークに光ビームを照射し、前記 2つのマークから発 生する所定の一つの次数の回折光又は前記 2つのマークから所定の一つの方向に 発生する光束よりなる光のみを複数の波長別に検出する第 2工程と、
前記第 2工程の検出結果に基づいて前記 2つのマークの相対位置ずれに関する情 報を求める第 3工程と、
前記第 3工程で求められた情報に基づいて前記第 1物体と前記第 2物体との位置 合わせを行う第 4工程とを有することを特徴とする露光方法。
[10] 前記第 1マークは前記第 1物体上のマークであり、前記第 2マークは前記第 2物体 上のマークであることを特徴とする請求項 9に記載の露光方法。
[11] 前記第 1マークと前記第 2マークとはピッチが異なることを特徴とする請求項 9又は 1 0に記載の露光方法。
[12] 露光ビームで第 1物体を照明し、前記露光ビームで前記第 1物体を介して第 2物体 を露光する露光装置にぉレ、て、
前記第 1物体又は前記第 2物体上の第 1マーク及び該第 1マークに近接させて配 置される第 2マークに光ビームを照射し、前記 2つのマークから発生する所定の一つ の次数の回折光又は前記 2つのマークから所定の一つの方向に発生する光束よりな る光を複数の波長別に検出する分光検出装置と、
前記分光検出装置の検出結果に基づいて前記 2つのマークの相対位置ずれに関 する情報を求める演算装置とを有することを特徴とする露光装置。
[13] 前記第 2マークが形成された指標部材と、
前記指標部材の前記第 2マークを前記第 1マークに近接させて配置するステージ 機構とをさらに有することを特徴とする請求項 12に記載の露光装置。
[14] 前記第 1マークと前記第 2マークとはピッチが異なることを特徴とする請求項 12又は
13に記載の露光装置。
[15] リソグラフイエ程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフイエ程で請求項 9又は 10に記載の露光方法を用いてデバイスパター ンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。
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