WO2007116711A1 - 計測方法、計測装置及び処理装置、並びにパターン形成方法及びデバイス製造方法 - Google Patents

計測方法、計測装置及び処理装置、並びにパターン形成方法及びデバイス製造方法 Download PDF

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WO2007116711A1
WO2007116711A1 PCT/JP2007/056307 JP2007056307W WO2007116711A1 WO 2007116711 A1 WO2007116711 A1 WO 2007116711A1 JP 2007056307 W JP2007056307 W JP 2007056307W WO 2007116711 A1 WO2007116711 A1 WO 2007116711A1
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light
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optical system
periodic
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PCT/JP2007/056307
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Tsuneyuki Hagiwara
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Nikon Corporation
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    • 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
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    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7088—Alignment mark detection, e.g. TTR, TTL, off-axis detection, array detector, video detection

Definitions

  • the present invention relates to a measurement method, a measurement device and a processing device, a pattern formation method, and a device manufacturing method, and more specifically, an illumination optical system that irradiates illumination light to a mark formed on an object;
  • a measurement method using a detection device comprising: a collecting optical system that collects diffracted light from the mark by irradiation of the illumination light; and a photoelectric conversion device that converts the collected light into an electrical signal, and the measurement method
  • the present invention relates to a measuring apparatus using the measuring apparatus, a processing apparatus including the measuring apparatus, a pattern forming method using the measuring method, and a device manufacturing method using the method.
  • a substrate such as a wafer (hereinafter collectively referred to as a wafer) used for device manufacture in a device processing apparatus such as an exposure apparatus
  • the alignment transferred together with the circuit pattern on the wafer.
  • the mark is observed with an optical alignment system provided in the exposure apparatus, and the position is measured based on the observation result.
  • the measurement accuracy of the mark position decreases due to various factors. For example, the mark shift (WIS (Wafer Induced Shift)) that occurs as a result of changes in the amplitude and phase of the diffracted light from the mark becomes asymmetric in the CMP process. is there.
  • WIS Wide Induced Shift
  • Patent Document 1 Pamphlet of International Publication No. 98Z39689
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-250766
  • an illumination optical system that irradiates illumination light to a periodic mark formed on an object, and zero-order light and odd-order light from the periodic mark by irradiation of the illumination light.
  • a condensing optical system for condensing only the diffracted light and a photoelectric conversion device for converting the collected light into a photoelectric signal, the numerical aperture of the illumination optical system with respect to the numerical aperture of the condensing optical system This is a first measuring method including a detecting step of detecting position information of the periodic mark in the periodic direction using a detecting device set to a specific force ⁇ or more.
  • the mark is measured in an incoherent state in which the ratio of the numerical aperture of the illumination optical system to the numerical aperture of the condensing optical system is set to 1 or more, and the even-order that causes noise components
  • the position information of the periodic mark is detected based on the electrical signal with reduced diffracted light, the combined action of the aberration and defocus of the condensing optical system or the individual difference of the periodic mark and defocus
  • the fluctuation of the measurement error of the mark position due to the action is reduced, and the mark position information can be measured with high accuracy.
  • an illumination optical system that irradiates illumination light onto a mark formed on an object, a condensing optical system that condenses diffracted light from the mark, A photoelectric conversion device that converts the emitted light into an electrical signal, Using a detection device in which the numerical aperture ratio of the illumination optical system is set to 1 or more, a first component having a first period as a basic period and a second period that is an even multiple of the first period as a basic period And a second measuring method including a detecting step of detecting positional information related to the periodic direction of the periodic mark including the second component.
  • the first component having a first period as a basic period
  • position information about the periodic direction of the periodic mark is detected.
  • the ratio of the periods of two different fundamental frequency components included in the periodic mark is an even ratio
  • the diffraction from the periodic mark has a reduced intensity of even-order diffracted light that causes noise components. Light is generated.
  • each of a plurality of marks arranged at a plurality of different locations on an object can be measured simultaneously, and illumination light is applied to a mark formed on the object. Equipped with an illumination optical system that irradiates, a condensing optical system that emits diffracted light of the mark force, and a photoelectric conversion device that converts the collected light into an electrical signal, and detects the position information of the mark
  • the position information of the mark is measured at an arbitrary sampling interval while changing the focus position of the mark with respect to the condensing optical system within a predetermined range using a plurality of detection devices.
  • positional information of a plurality of marks is simultaneously measured using a plurality of detection devices.
  • each detection device uses the measurement results of the mark positions at a plurality of different focus positions.
  • the measurement accuracy of position information can be improved.
  • the present invention has any of the first to third measurement methods of the present invention, if it has a fourth viewpoint power.
  • 1 is a first measuring device that measures position information of alignment marks formed on an object to be processed.
  • an illumination optical system that irradiates illumination light to a periodic mark formed on an object; and zero-order light and odd-order light from the periodic mark by irradiation of the illumination light.
  • a condensing optical system that condenses only the diffracted light of the light; a photoelectric conversion device that converts the collected light into an electrical signal; and a position of the periodic mark in the periodic direction based on the electrical signal.
  • a second measuring device in which a ratio of the numerical aperture of the illumination optical system to the numerical aperture of the condensing optical system is set to 1 or more.
  • an illumination optical system that irradiates illumination light to a mark formed on an object, a condensing optical system that condenses diffracted light from the mark, A plurality of detection devices arranged to measure each of the plurality of marks arranged at a plurality of different locations on the object, respectively, and a photoelectric conversion device that converts the converted light into an electrical signal; A control device for measuring positional information of the plurality of marks using the plurality of detection devices at an arbitrary sampling interval while changing the position of the object in the optical axis direction of the condensing optical system within a predetermined range; Is a third measuring device.
  • the position information of the plurality of marks is simultaneously measured by the control device using the plurality of detection devices. Also, in this case, it is not necessary to best focus the object during measurement with each detection device, and each detection device uses the measurement results of mark positions at multiple different focus positions. Thus, the measurement accuracy of the mark position information can be improved.
  • a pattern forming method for forming a pattern on an object A measurement step of measuring position information of an alignment mark formed on the object using any one of the first to third measurement methods of the present invention; and a measurement result of the position information And a control step of controlling the position of the object during the formation of the pattern.
  • the ninth aspect of the present invention includes a step of forming a pattern on the object using the pattern forming method, and a step of processing the object on which the pattern is formed. It is a device manufacturing method.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of an exposure apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 (A) is a diagram showing a schematic configuration of the alignment system
  • FIG. 2 (B) is a schematic diagram showing displacement at each focus position in a convex lens having coma aberration.
  • FIG. 3 (A) to FIG. 3 (C) are diagrams showing an example (part 1) of a focus-mark measurement position variation curve.
  • FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B) are diagrams showing an example of a focus-mark measurement position variation curve.
  • FIG. 5 (A) to FIG. 5 (D) are diagrams for explaining the pupil plane in the case of ⁇ ⁇ 1.
  • FIGS. 6 (A) to 6 (D) are diagrams for explaining the pupil plane when ⁇ 1.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a wafer mark according to an embodiment.
  • FIG. 8 A diagram in which the mark is displayed as a complex function.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the complex plane of the mark.
  • FIG. 10 is a diagram showing an AC component of a mark.
  • FIG. 11 is a diagram showing a DC component of a mark.
  • FIG. 12 is a diagram showing complex amplitude AC.
  • FIG. 13 is a diagram showing a complex amplitude B.
  • FIG. 14 is a diagram showing a complex amplitude C.
  • FIG. 15 is a diagram showing a Fourier spectrum of a rectangular wave having a spatial frequency of 1Z6P.
  • FIG. 16 is a diagram showing a Fourier spectrum of a rectangular wave having a spatial frequency lZP.
  • FIG. 17 is a diagram showing a spectrum of an amplitude distribution AC.
  • FIG. 18 is a view showing another example of the cross-sectional shape of the wafer mark.
  • FIG. 19 is a diagram showing a general example of a cross-sectional shape of a wafer mark.
  • FIG. 20 is a flowchart of preparation processing.
  • FIG. 21 (A) is a diagram showing a variation curve of the focus-mark position
  • FIG. 21 (B) is a diagram showing a variation curve of the focus-amplitude
  • FIG. It is a figure which shows the fluctuation curve of a cus mark mark position.
  • FIG. 22 is a flowchart of exposure processing.
  • FIG. 23 is a diagram showing a variation curve of focus-mark position.
  • FIG. 24 is a view showing another example (part 1) of a wafer mark.
  • FIG. 25 is a view showing another example (2) of the wafer mark.
  • FIG. 26 is a diagram showing another example (part 3) of the wafer mark.
  • FIG. 27 is a perspective view showing a schematic configuration of an alignment system having a plurality of fields of view.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an exposure apparatus 100 to which a measurement method according to an embodiment can be suitably applied.
  • the exposure apparatus 100 is a step “and” scanning projection exposure apparatus.
  • the exposure apparatus 100 shown in FIG. 1 includes an illumination system 10, a reticle stage RST that holds a reticle R, a projection optical system PL, a wafer stage WST that holds a wafer W, and a mark on the wafer W. Alignment AS and control system for these.
  • the illumination system 10 is configured in the same manner as the illumination system disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-313250 (corresponding to US Patent Application Publication No. 2003Z0025890). That is, the illumination system 10 emits coherent exposure illumination light (exposure light) such as pulsed laser light toward the reticle stage RST.
  • coherent exposure illumination light exposure light
  • the reticle stage RST holds the reticle R by, for example, vacuum suction.
  • Reticle stage RST can move finely in the XY plane and can move at the scanning speed specified in the Y-axis direction.
  • Reticle stage RST position information is interferometer 16 It is measured by. Based on the measurement value of the interferometer 16, the position and speed of the reticle stage RST are controlled by the stage controller 19 under the instruction of the main controller 20.
  • Projection optical system PL is a bilateral telecentric optical system having an optical axis parallel to the Z axis orthogonal to the XY plane, and has a predetermined projection magnification (eg, 1Z4).
  • a part of the reticle R is illuminated by the exposure light from the illumination system 10, it is held on a wafer stage WST, which will be described later, via the projection optical system PL, which is a projection image force such as a circuit pattern corresponding to the illuminated part. Projected onto the wafer W.
  • Wafer stage WST is freely driven in the X-axis direction and the Y-axis direction by a stage drive system 24 including a linear motor and the like, and at the same time the Z-axis direction and the rotation direction ( ⁇ X-direction (around the X-axis) Rotation direction), ⁇ y direction (rotation direction around Y axis), and 0 z direction (rotation direction around Z axis)).
  • a stage drive system 24 including a linear motor and the like
  • the Z-axis direction and the rotation direction ⁇ X-direction (around the X-axis) Rotation direction
  • ⁇ y direction rotation direction around Y axis
  • 0 z direction rotation direction around Z axis
  • wafer stage WST by driving wafer stage WST, it is possible to move the wafer holding surface in directions of six degrees of freedom with reference to optical axis AX of projection optical system PL.
  • the wafer stage WST instead of the single 6-degree-of-freedom stage described above, a 3-degree-of-freedom stage that can move freely in the XY plane, and 3 degrees of freedom ⁇ , ⁇ X, and ⁇ y on the stage It is also possible to adopt a configuration with a 3 degrees of freedom stage that can be moved slightly in the direction of the angle (or a stage that can move slightly in the direction of 6 degrees of freedom).
  • Position information of wafer stage WST in the 6-degree-of-freedom direction is measured by interferometer 18. Based on the measurement value of the interferometer 18, the stage controller 19 controls the position of the wafer stage WST.
  • a reference mark plate FM is provided on the wafer stage WST.
  • various fiducial marks serving as alignment standards are provided on the wafer stage WST.
  • a mark that reduces the intensity of even-order diffracted light other than the 0th-order light and generates only 0th-order light and odd-order diffracted light is used as the reference mark.
  • the odd-order harmonics are included in the spatial frequency components of each order included in the mark intensity image.
  • the beat component of the component and the even harmonic component is also included. In such cases, If the intensity of each diffracted light changes even a little, the position of the reference mark measured by the alignment system AS, which will be described later, shifts due to the aberration of the objective lens.
  • the reference mark is a mark that only generates 0th-order light and odd-numbered next-fold light.
  • the alignment system AS measures the position information of the mark with the phase of multiple-order spatial frequency components included in the mark intensity image, that is, the phase of the three-beam interference between the zeroth order light and the same positive and negative odd order diffracted light. Even if the ratio of the amplitude of the diffracted light changes, the error is avoided as much as possible in the phase detection of the component due to the influence of aberration.
  • the Z position of the reference mark is set to be substantially the same as the Z position of the surface of the wafer W held by the holder 25. The specific shape of the reference mark will be described later.
  • Stage controller 19 controls the position and speed of reticle stage RST and wafer stage WST in accordance with instructions from main controller 20.
  • the stage controller 19 can control both the stages WST and RST independently, or can simultaneously scan both stages WST and RST.
  • the main controller 20 is a computer that performs overall control of the entire apparatus.
  • the main controller 20 transmits and receives data to and from the host apparatus, controls various components in the exposure apparatus 100, and controls and manages the processes performed in the exposure apparatus 100.
  • An OFAXIS alignment system AS is provided in the vicinity of the Y side of the projection optical system PL.
  • the alignment AS measures the position of the reference mark on the reference mark plate FM and the alignment mark (wafer mark) formed on the wafer W.
  • the alignment system AS photoelectrically detects the spatial intensity image of the wafer mark, and detects the position information of the wafer mark in the XY coordinate system based on the detection result.
  • the alignment system AS consists of a light source 42, a condenser lens 44, a half mirror 46, an aperture 47, a first objective lens 48, a color filter 50, a half mirror 52, and a second objective lens 58.
  • the light source 42 emits light having a predetermined wavelength band that does not expose the photoresist on the wafer W. To emit.
  • a halogen lamp is preferably used.
  • the illumination light that can also generate a normal lamp force has a sufficiently wide wavelength band, and this prevents a decrease in mark detection accuracy due to thin film interference in the resist layer.
  • this wavelength band is defined as X nm to e nm.
  • ⁇ ⁇ , and ⁇ is, for example, 530
  • ⁇ is, for example, 900 nm.
  • the illumination light from the light source 42 is converted into parallel light by the condenser lens 44.
  • This parallel light is reflected by the half mirror 46, and is condensed near the wafer mark M on the wafer W via the color filter 50 and the first objective lens 48.
  • the alignment system AS includes an illumination optical system that illuminates the wafer mark M by epi-illumination, and the illumination optical system includes a condenser lens 44 and a first objective lens 48.
  • the reflected light of the illumination light is emitted from the wafer mark M.
  • the wafer mark M is a mark that generates only the 0th-order light and the odd-order diffracted light, like the mark on the reference mark plate FM. Details of the wafer mark M will be described later.
  • Each diffracted light from the wafer mark M is converted by the first objective lens 48 into parallel light that passes through different positions on the pupil plane (surface having a Fourier transform relationship) with the wafer surface.
  • the first objective lens 48, the aperture 47, and the second objective lens 58 constitute an imaging optical system (condensing optical system). Each diffracted light passes through a different position in the pupil plane of the condensing optical system.
  • Each diffracted light enters the aperture 47 after passing through the color filter 50 and the half mirror 46.
  • the aperture 47 narrows the light beam in the pupil plane of the condensing optical system. Since the aperture 47 limits the numerical aperture of the condensing optical system, the ratio of the numerical aperture of the illumination optical system to the numerical aperture of the condensing optical system in the alignment system AS, that is, coherence is shown in FIG.
  • the factor ⁇ is 1 or more ( ⁇ 1).
  • the aperture 47 determines (limits) the numerical aperture of the condensing optical system, and thereby the coherence factor ⁇ is set to 1 or more. This is not a limitation.
  • a diameter greater than or equal to the diameter of the light beam passing through the pupil plane (the surface equivalent to the Fourier transform plane) of the condensing optical system is set on the illumination system side.
  • the light beam that has passed through the aperture 47 is incident on the second objective lens 58.
  • Each diffracted light emitted from the second objective lens 58 enters the half mirror 52.
  • Each diffracted light reflected by the half mirror 52 enters the spectrometer 59.
  • Each diffracted light transmitted through the half mirror 52 is condensed on the image pickup surface of the image pickup element 60 at a conjugate position with the surface of the wafer W.
  • the image sensor 60 is, for example, a two-dimensional CCD (charge coupled device).
  • the imaging surface of the imaging device 60 is at a conjugate position with the surface of the wafer W, and an optical intensity image of the wafer mark M is formed on the imaging surface of the imaging device 60. Since 0th-order light also enters the imaging surface of the image sensor 60, this optical intensity image is a so-called bright field image in which the 0th-order light from the wafer mark M contributes to image formation.
  • the color filter 50 is connected to the actuator 66 and is inserted into a region centering on the optical axis of the condensing optical system composed of the first objective lens 48, the aperture 47, and the second objective lens 58 of the alignment system AS Z Evacuation is possible. Thereby, the color filter 50 can shield light passing through a predetermined position in the pupil plane of the condensing optical system.
  • the position of the actuator 66 is controlled by the controller 64.
  • the control of the controller 64 allows the color filter 50 to block light having an arbitrary wavelength and prevent it from passing therethrough. That is, the wavelength of the light shielded by the color filter 50 is determined by the controller 64.
  • the spectrometer 59 can measure the intensity (that is, spectral reflectance) for each wavelength of incident light. Since the wavelength band of the diffracted light is ⁇ nm to e nm, the spectrometer 59
  • the spectral reflectance at each wavelength in the long band is measured. This measurement result is sent to the image processing system 62.
  • the stability (reproducibility) of the measurement result may vary depending on the wavelength band of the illumination light due to a change in the thickness of the thin film on the wafer W.
  • the imaging device 60 converts the light intensity distribution on the imaging surface containing information corresponding to the optical intensity image of the wafer mark M into an electrical signal, and sends it to the image processing system 62 as an image signal.
  • the image processing system 62 performs predetermined image processing on the image signal (two-dimensional image data). More specifically, first, the image processing system 62 converts the two-dimensional image signal into one-dimensional waveform data related to the measurement direction of the mark position. At least one of the fundamental frequency component and the odd harmonic component corresponding to the fundamental period of the diffraction grating-like wafer mark M included in the one-dimensional waveform data (that is, at least one odd-order spatial frequency component) Is obtained by Fourier transform, and the phase of each odd-order spatial frequency component is obtained.
  • the phase force is the lateral shift amount of the design position coordinate force of the wafer mark M with respect to the measurement axis direction on the wafer W, which is obtained from the spatial frequency component, that is, the mark measurement position.
  • the mark measurement position obtained in this way should match in all orders in an ideal state. However, the mark measurement position deviates for each order due to the aberration of the condensed optical system of alignment system AS.
  • incoherent imaging is performed in the present embodiment, so that the position shift occurs only due to the influence of the asymmetry of the point image at each focus position. That is, if the focus position is obtained, the amount of displacement can be predicted.
  • FIG. 2 (B) the amount of displacement at each focus position caused by coma is schematically shown.
  • the wavefront that passes through the convex lens shown in Fig. 2 (B) becomes a distorted wavefront B with respect to the ideal wavefront A due to coma aberration of the convex lens.
  • the influence of the aberration (coma aberration) on the telecentric is a quadratic “character” (indicated by curve C in FIG. 2 (B)). Can be used to find the focus position.
  • process noise Select an order with less process noise.
  • An order with less process noise may be selected, and the average (or weighted average) of all mark measurement positions obtained for each order may be obtained as the final mark position.
  • the fundamental frequency component and its odd-order harmonic components which order component is used for measurement is arbitrary, but based on actual measurement accuracy, the best one (for example, one with few EGA random components, Or one having good reproducibility) can be selected.
  • the spatial frequency component of the random noise of the mark background is known, the random noise component is large and the spatial frequency data can be prevented from being used for measurement.
  • the frequency component of random noise is often in a low band, so the mark position of the harmonic component is often used.
  • the variation in the measurement result varies depending on the order of the spatial frequency component, it is possible to employ one having a small variation. Increase the number of focus steps when electrical noise (random noise) is conspicuous due to insufficient signal amplitude! ] Or, it can be improved by increasing the image accumulation time. Process noise is minimized by order and wavelength selection. Further, the average value (or weighted average) of the mark measurement positions detected with the spatial frequency component selected as described above may be calculated as the final mark position. In this way, the image processing system 62 calculates the position coordinates of the wafer mark M within the imaging field of view. The position coordinates of the wafer mark M are sent to the main controller 20.
  • the ratio of the numerical aperture of the condensing optical system to the numerical aperture of the illumination optical system, that is, coherence is adjusted by adjusting the restriction of the imaging light beam by the aperture 47.
  • the interaction between the phase distribution of the wafer mark M and the aberration of the focusing optical system of the alignment system AS is eliminated, so image recovery by deconvolution, for example, is also possible. Is .
  • the influence of the aberration of the focusing optical system of the alignment system AS is reduced.
  • the mark to be measured is a step mark formed by a base step.
  • the step amount, reflectivity, asymmetry, etc. differ depending on the mark, but under incoherent imaging, the aberration of the focusing optical system of the alignment system AS and the interaction with them cause each spatial frequency component to change. Mark measurement position hardly changes.
  • mark measurement is performed by setting ⁇ 1. The reason is explained below.
  • the intensity distribution of the intensity image of the wafer mark M corresponding to the image signal detected by the alignment system AS is determined according to the nature of the mark (for example, the type of light mark / dark mark or step mark, step mark). In some cases, it is greatly affected by the level difference, reflectivity, and asymmetry), and the aberration (eg coma and spherical aberration) of the focusing optical system of Z or alignment system AS.
  • FIG. 3 (A) shows a variation curve representing the variation of the mark measurement position with respect to the focus position at three spatial frequency components of the first, third and fifth. As shown in the fluctuation curve in Fig. 3 (A), the measurement position of wafer mark ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ varies with respect to the focus variation in the spatial frequency components of all orders.
  • Wafer mark ⁇ is a mark that generates 0th-order light and odd-order diffracted light, and the odd-order spatial frequency component becomes a three-beam interference component of the odd-order diffracted light and 0th-order light, and even-order light of Components due to diffracted light are not included.
  • the change in the mark measurement position at the spatial frequency component of each order is a sinusoidal change that gradually changes due to defocusing.
  • the fluctuation curve representing the mark shift is an even function symmetric with respect to the positive and negative defocus amounts. This indicates that if the absolute value of the defocus amount is known, the displacement amount of the mark measurement position due to the defocus can be obtained from this fluctuation curve regardless of whether the defocus amount is positive or negative.
  • the variation curve corresponding to the spatial frequency component of each order is a force that becomes a different variation curve for each order.
  • the focus position (the best focus position of each order) that is the extreme value of each variation curve is all orders.
  • the spatial frequency components of That is, if ⁇ is 1 and the focusing optical system of the alignment system AS has coma, if the mark to be measured is a bright / dark mark and the spherical aberration is 0, the best-for-force is obtained for all spatial frequency components.
  • the position of the mouse matches.
  • FIG. 3 (B) it is assumed that ⁇ ⁇ 1, coma aberration is present, and spherical aberration is present, and each mark included in the intensity image of the mark with respect to defocus when the wafer mark ⁇ ⁇ ⁇ is a bright / dark mark.
  • the spatial frequency component force of the order is shown. That is, in this case, only the point that there is spherical aberration is different from the case of FIG.
  • Fig. 3 (B) the fluctuation curves of the individual orders are different, but unlike Fig. 3 (A), the extreme values of each fluctuation curve are obtained.
  • the focus position (best focus position) also varies for each order.
  • the fluctuation curve of each order also changes in accordance with the amount of spherical aberration of the alignment system AS, and the mark measurement position and focus position at the extreme values also change. Therefore, even if the defocus amount is known, the fluctuation curve itself changes due to changes in spherical aberration over time, and it is difficult to determine the amount of misalignment of the mark measurement position due to defocus.
  • FIG. 3 (C) it is assumed that ⁇ ⁇ 1, coma is present, and spherical aberration is not present, and each of the marks included in the intensity image of the mark with respect to defocus when the wafer mark ⁇ is a step mark.
  • the spatial frequency component force of the order is shown. That is, in this case, only the point that the mark is a step mark is different from the case of FIG. [0058]
  • the measurement positions of the marks measured in the spatial frequency components of the individual orders are different fluctuation curves for each order.
  • the extreme value of each fluctuation curve, that is, the best focus position of each order varies.
  • the fluctuation curve of each order itself changes in accordance with the groove depth of the step mark, and the mark measurement position and the focus position at the extreme value also change. Therefore, even if the amount of force is known, it varies according to the groove depth of the step mark and the fluctuation curve itself changes, so it is difficult to determine the amount of misalignment of the mark measurement position due to defocusing. It is. Note that the mark itself is a symmetric mark, and its symmetry is maintained, and changes in the amount of misalignment of the mark measurement position caused by changes in the step height above and below the step, reflectivity, resist film thickness, etc. Call it TIS!
  • the focus mark position variation curve at the spatial frequency component of each order is spherically converged under the conditions of ⁇ 1, step mark, coma aberration, and spherical aberration. It varies depending on the amount of aberration of the difference and the shape of the wrinkle or step mark, but as shown in Fig. 4 (B), when ⁇ 1, the extreme value of each variation curve is the aberration of spherical aberration The amount and level difference are constant regardless of the shape of the mark. This is because the mark displacement measured by the PSF (mark intensity image distribution) at each focus position is determined. So book In the embodiment, the position of the mark is measured with ⁇ ⁇ 1 set.
  • the influence on the measurement position is great.
  • low-order coma is expressed as ⁇ 7 and ⁇ 8 in the Fringe-Zerke polynomial.
  • Such a low-order frame difference varies extremely sensitively depending on the state of the condensing optical system. Considering only ⁇ 7, pupil function F (6, r?) Becomes
  • the cross modulation coefficient T (f,, f) is defined by the following equation.
  • T (f ', f ") ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) ⁇ ( ⁇ ' + ⁇ , ⁇ ] ) ⁇ '( ⁇ + ⁇ , ] ) ⁇ ... (3)
  • F ( ⁇ , ⁇ ) Is a pupil function as described above
  • F * (f "+ ⁇ , r?) Is a complex conjugate of the pupil function F (f" + ⁇ , r?)
  • ⁇ (, 7? ) Is an effective light source
  • ⁇ ( ⁇ ) Partial coherent illumination
  • the intensity image of the wafer mark ⁇ ⁇ ⁇ is expressed by the following equation.
  • 0-1 is expressed as follows.
  • the amplitude is expressed by the following equation (7), and the phase and amplitude of the first-order spatial frequency component (frequency f) due to the 0th order light and the + 1st order diffracted light are expressed by the following equation (8).
  • Fig. 5 (A) The shaded area in Fig. 5 (A) is expressed in the pupil of the actual focusing optical system of the alignment system AS, as shown in Fig. 5 (B).
  • FIG. 5C the integration region by the light beam pair of the 0th-order light and the + 1st-order folded light in the pupil coordinate system when ⁇ ⁇ 1 is set is indicated by hatching.
  • This integration region is a portion showing the phase difference between the 0th-order light and the + 1st-order diffracted light that form a pair.
  • the phase shift due to the interference fringe aberration due to the two-beam interference between the 0th-order light and the first-order diffracted light and the phase shift due to the interference fringe aberration due to the two-beam interference between the 0th-order light and the + first-order diffracted light Since they have the same magnitude in the opposite direction, their phase shifts are canceled out, and the amount of misalignment of the mark image becomes zero.
  • Fig. 6 ( ⁇ ) the integration region by the beam pair of the 0th-order light and the 1st-order diffracted light in the pupil coordinate system when ⁇ ⁇ 1 is set by the aperture 47 is indicated by hatching.
  • the shaded area in Fig. 6 (A) is expressed in the pupil of the actual focusing optics of the alignment system AS, it is as shown in Fig. 6 (B).
  • FIG. 6C the integration region by the light beam pair of the 0th-order light and the + 1st-order diffracted light in the pupil coordinate system when ⁇ 1 is set by the aperture 47 is indicated by hatching.
  • FIG. 6D When the hatched portion in FIG. 6C is expressed in the pupil of the condensing optical system of the actual alignment system AS, it is as shown in FIG. 6D.
  • a beam pair of light and + 1st order diffracted light exists at every point in the region. If this happens, the misalignment caused by the pair of light beams passing through the same two points will cancel each other, and the misalignment of the marks will cancel each other.
  • a wafer mark ⁇ which is this object (mark structure)
  • a diffraction having a periodic uneven pattern generally called a fine groove mark in which the line width of the dug portion is narrow with respect to the pitch.
  • a grid-like mark is adopted.
  • the narrow groove mark is advantageous for measuring its position because it maintains the symmetry of the mark in the measurement direction, which is difficult to deform with respect to the CMP process.
  • Fig. 7 shows a cross-sectional view of the wafer mark ⁇ .
  • the thickness of the narrow groove of the mark is W
  • the interval between adjacent narrow grooves is P
  • the intermittent period of the narrow grooves is 6P.
  • the width W of each narrow groove is set to be smaller than P (P> W).
  • the amplitude reflectance at the narrow groove W is set to 1, and the other amplitude reflectances are also set to 1.
  • Dn in Fig. 8 is a complex function representation of this mark.
  • Re indicates a real component
  • Im indicates an imaginary component.
  • Fig. 9 shows a cross-sectional view of the mark Dn along the Re '-Im' plane parallel to the Re Im plane at coordinate 0.
  • the amplitude of the part other than the narrow groove is indicated by the vector oc and its size is 1.
  • the amplitude of the narrow groove is indicated by the vector oa and its size is 1.
  • the complex amplitude distribution Dn of this mark can be considered by separating it into a DC component Dc and an AC component Ac.
  • the AC component Ac in this case is represented by an amplitude component parallel to the vector ac in FIG. 9, and is shown in FIG.
  • the DC component is a component parallel to the vector oc in FIG. 9, and is shown in FIG.
  • Considering diffracted light generated by complex amplitude distribution Dn it is effective to consider the DC component Dc and the AC component Ac separately.
  • the DC component Dc only generates 0th order diffracted light.
  • the AC component Ac can be regarded as the result of multiplication of the periodic amplitude distributions B and C, as shown in FIGS.
  • the Fourier spectra of the amplitude distributions B and C can be obtained as shown in FIGS.
  • the amplitude distribution B is a well-known square wave with a period of 6P, and the spectrum obtained by Fourier transformation is only the odd-order spectrum in addition to the zero-order component. Odd-order spectra occur discretely at ⁇ 1 / 6P, ⁇ 3Z6P, ⁇ 5Z6P, ⁇ 7 Z6P, and so on.
  • the Fourier spectrum of the amplitude distribution Ac becomes a convolution of these, and becomes a discrete Fourier spectrum as shown in FIG. Only odd-order diffracted light is generated from the 6th-order diffracted light to the + 6th-order diffracted light. This even-order diffracted light of the lowest order, that is, ⁇ 6th-order diffracted light, satisfies the relationship ⁇ ZP> (NA + NAi).
  • the amplitude distribution of this wafer mark M includes only the primary component, the third component, the fifth component, and the sixth component for the DC component and the sixth component or less corresponding to the fundamental period P.
  • the spatial frequency components of the even-order, which are smaller than the sixth-order, such as the second-order and fourth-order, are zero.
  • the intensity of each diffracted light from the wafer mark M can be read from the spatial frequency spectrum of FIG. That is, the diffracted light that also generates wafer mark M force is ⁇ 1st order diffracted light, ⁇ 3rd order diffracted light, ⁇ 5th order diffracted light, ⁇ 6th order diffracted light, 2nd order, in addition to 0th order diffracted light No even order diffracted light smaller than 6th order such as 4th order is generated.
  • NAi numerical aperture of the illumination optical system (condenser lens 44, first objective lens 48) and the condensing optical system (first objective lens 48) are used.
  • NA numerical aperture of the second objective lens 58
  • ⁇ is the illumination as described above
  • the shortest wavelength of light As a result, the diffracted light incident on the focusing optical system of the alignment system AS is only the 0th order light and the ⁇ 1st order, ⁇ 3rd order, ⁇ 5th order diffracted light corresponding to the fundamental period P. Corresponding ⁇ 6th order diffracted light is not incident on the first objective lens 48 even if it has the shortest wavelength. Therefore, the sixth-order component in the spatial frequency distribution (spectrum) of the wafer mark M that is actually imaged on the imaging surface of the imaging device 60 is zero.
  • a cross-sectional shape as shown in FIG. 18 can be adopted.
  • the wafer mark M shown in FIG. 18 differs from the mark shown in FIG. 7 in that a set of two narrow grooves is periodically formed at intervals of 4P.
  • This mark also has a shape that combines two rectangular waves with different periods, and the ratio of the two periods is an even ratio (1: 4).
  • the spatial frequency distribution (svector) of this mark is also a convolution of the spatial frequency distributions (spectrums) of two rectangular waves, and in that spectrum, the peak appears at spatial frequencies of 0, ⁇ 1Z6P, ⁇ 3Z6P, and ⁇ 4Z6P. Force Spatial frequency ⁇ 2Z6P is 0.
  • ⁇ ZP> NA + NAi
  • the diffracted light is only the 0th order light and the ⁇ 1st order and ⁇ 3rd order diffracted light corresponding to the fundamental period P.
  • the ⁇ 4th order diffracted light corresponding to the basic period P has the shortest wavelength. Even if it is, it will not enter the first objective lens 48. Therefore, the diffracted light that contributes to the image formation of the wafer mark M that forms an image on the imaging surface of the image sensor 60 is only the 0th order light and the odd order diffracted light.
  • the cross-sectional shape shown in FIGS. 7 and 18 is generally the same as the cross-sectional shape of the wafer mark shown in FIG. As shown in FIG. 19, in this cross-sectional shape, a set of n fine grooves is periodically formed at intervals of nP (n is a positive integer). The interval between adjacent narrow grooves in the set is P. The width W of each narrow groove is set to be smaller than P (P> W). Due to the relationship between the shape and the numerical aperture of each optical system of the alignment system AS, the diffracted light that contributes to the formation of the mark intensity image on the imaging surface of the imaging device 60 is the 0th order light, and (2n 1 ) Only the odd-order diffracted light up to the next. Note that n is the random error of the spatial frequency component included in the mark intensity image within the wafer and between wafers (so-called process noise). ) Is determined as the evaluation amount.
  • the wafer mark M generally shown in Fig. 19 has a periodic structure that weakens the intensity of the even-order diffracted light with respect to the alignment system AS compared to the intensity of the odd-order diffracted light with respect to the incident light. It is a mark to do.
  • FIG. 20 shows a flowchart of this preparation process.
  • step 501 wafer stage WST is driven in the XY plane, and the reference mark on reference mark plate FM is positioned at the center of the detection field of alignment system AS.
  • the color filter 50 may be adjusted so that the intensity of the 0th-order light from the reference mark is increased.
  • step 503 while the wafer stage WST is moved in the Z-axis direction at a low speed at a predetermined interval (for example, 10 m), the alignment system AS performs an intensity image of the reference mark in the detection field at a predetermined shirt speed.
  • a predetermined interval for example, 10 m
  • an odd-order spatial frequency component included in the intensity image of the reference mark is extracted from the image sample data.
  • the amplitude and phase of each odd-order spatial frequency component are extracted.
  • a fluctuation curve of each odd-order spatial frequency component is created by function fitting using, for example, the least square method.
  • FIG. 21 (A) shows an example of fluctuation curves of the first-order, third-order, fifth-order, and seventh-order spatial frequency components created in this way.
  • step 513 the offset amount of the variation curve of the focus mark measurement position corresponding to the spatial frequency component of each order is stored.
  • the offset amount of the variation curve of the focus mark measurement position corresponding to the spatial frequency component of each order is stored.
  • the first-order, third-order, fifth-order, and seventh-order fluctuation curves shown in Fig. 21 (A), Bl, B3, B5, and B7 are stored as offset amounts, respectively.
  • step 515 a focus-amplitude fluctuation curve is generated, which shows the relationship between the amplitude of each odd-order spatial frequency component and the focus, as shown in FIG.
  • step 517 the focus position that is the extreme value of the focus-amplitude fluctuation curve of the spatial frequency component of each order is calculated. Focus positions Fol, Fo3, Fo5, and Fo7 are selected on the primary, tertiary, fifth, and seventh order variation curves shown in Fig. 21 (B), respectively.
  • the offset amount of the extreme value of each order is stored.
  • step 513 and step 519 the process is terminated.
  • the offset amount of the mark measurement position at the best focus position in each order of the spatial frequency component is obtained.
  • reticle R is already loaded on RST and that the predetermined preparation work such as reticle alignment and baseline measurement has been completed.
  • wafer W to be exposed is loaded onto wafer stage WST.
  • This wafer W is a wafer in which one or more shot areas have already been formed.
  • a search alignment mark having the above-mentioned periodic structure and a wafer mark M are attached.
  • the main controller 20 moves the wafer stage WST holding the wafer W by suction to the lower side of the alignment system AS via the stage controller 19 to perform search alignment and wafer alignment.
  • This search alignment and fine wafer alignment (for example, EGA type alignment) is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-44429 and US Pat. No. 4,780,617 corresponding thereto.
  • position information in the XY coordinate system of various alignment marks formed on the wafer W is measured using the alignment system AS.
  • the main controller 20 uses a veg stage controller 19 that positions a plurality of shot areas (sample shots) with the marks attached below the alignment system AS, to the wafer stage. Move WST sequentially.
  • FIG. 22 shows a flowchart of the mark position measurement process.
  • step 601 to step 611 is the same as the processing from step 501 to step 511. That is, the wafer mark M is positioned at the center of the detection field of the alignment system AS (step 601), the wafer stage WST is moved at a constant speed in the Z-axis direction, and image sample data is acquired at a predetermined shutter speed (Step 603), extract each odd-order spatial frequency component (Step 605), extract its amplitude and phase (Step 607), create a focus-mark position variation curve (Step 609), It is determined whether or not the extreme value can be detected (step 611).
  • the light reflected or diffracted by the surface of the wafer W including the wafer mark M is received by the imaging element 60 via the first objective lens 48, the second objective lens 58, and the like.
  • the image sensor 60 converts the intensity image of the wafer mark M formed on the imaging surface into an electrical signal at a constant sampling interval, and sequentially converts the signal to the image processing system 62 as an image signal (image sample data). ,Output.
  • the extreme value can be easily found by measuring the position of the wafer mark ⁇ for each order while swinging the focus by ⁇ 2 / ⁇ ⁇ . Even taking into account variations in the thickness and flatness of the wafer W, the extreme values can be captured by moving the focus by ⁇ 5 / zm.
  • the R, O, and G filters with the largest signal amplitude are selected, thereby obtaining the offset amount of each order and measuring the mark position on the wafer W.
  • step 611 determines whether the determination in step 611 is negative, a focus amplitude fluctuation curve is created in step 615, the extreme value of each order is calculated in step 617, and the mark position of each order in step 619. Is calculated.
  • the processing in these steps 611, 613, 615 to 619 is the same as the processing in steps 511, 513, and 515 to 619 in FIG.
  • step 621 after step 613 and step 619, the offset amounts Bl, B3, B5, and B7 are subtracted from the mark position obtained from the variation curve of the spatial frequency component of each order to obtain the spatial frequency of each order. Find the mark position of the component.
  • Al, A3, A5, and A7 are shown as the mark positions of the respective orders. Using these mark positions, the final mark position is calculated as described above.
  • the mark position information within the imaging field of the alignment AS calculated by the image processing system 62 is sent to the main controller 20.
  • Main controller 20 calculates the position coordinates of wafer mark M in the XY coordinate system based on this mark position information and the position information of wafer stage WST obtained from interferometer 18 via stage controller 19. To do.
  • the main controller 20 uses the positional information of the wafer mark M thus measured by the alignment system AS, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-44429 and a corresponding US patent.
  • the array coordinate system on the wafer W is calculated statistically. Then, based on the arrangement coordinate system, step-and-scan exposure is performed on the shot area. As a result, high-precision overlay exposure is realized for the shot area already formed on the wafer W.
  • the ratio power of the numerical aperture of the illumination optical system to the numerical aperture of the condensing optical system of the alignment system AS in an incoherent state set to be greater than or equal to ⁇ . Since the mark position information is detected based on the intensity image data of the mark that has been measured and the even-order diffracted light, which causes noise components, has been reduced, the aberrations of the alignment AS focusing optics Variation in mark position measurement errors due to the combined action of defocusing and defocusing, or the combined action of individual differences between marks and defocusing is reduced. As a result, the measurement accuracy of the mark position is improved.
  • an incoherent imaging state is realized with a finite ⁇ .
  • the position error information related to the focus of the reference mark on the reference mark plate FM with respect to the focusing optical system of the alignment system AS is acquired, and the position measurement of wafer mark M is performed when the measurement is performed.
  • the position error (offset amount Bl, B3, B5, B7) is reflected in the mark measurement position. In this way, the position in the intensity image of the wafer mark M due to the combined action of the aberration and defocus of the focusing optical system of the alignment system AS, or the combined action of the individual difference of the wafer mark M and the defocus. Since the amount of deviation is acquired in advance, and it is simply removed when measuring the wafer mark, it is possible to measure the mark position information with high accuracy in a short time.
  • the position of the reference mark is measured at each of a plurality of different focus positions, and the position related to the focus position is determined based on the measurement position of the reference mark. Get the position error information (offset amount) of the mark to be performed. In this way, it is possible to obtain the measurement result of the mark position at the best focus position without preparing a separate autofocus mechanism.
  • the alignment AS can be reduced in size and cost can be reduced. Further, since the position measurement results at a plurality of different focus positions are used, the measurement accuracy of the mark position information can be improved by the averaging effect.
  • the position information of the reference mark or wafer mark M is detected at an arbitrary sampling interval while constantly changing the focus position. In this way, when detecting the position information of these marks at a plurality of different focus positions, it is not necessary to position the wafer W with respect to the projection optical system PL and measure the marks. It is possible to shorten the measurement time.
  • the wafer mark M or the reference mark may be measured while the wafer stage WST is stationary while the wafer mark M or the reference mark is positioned at a plurality of focus positions. Of course.
  • a focus-position variation curve representing the variation of the measurement position of the reference mark with respect to the variation of the focus position is created. Then, the value of the fluctuation curve of the reference mark at the extreme value of the fluctuation curve of the position is acquired as an offset amount, and the reference mark position information based on the image sample data of the intensity image at the focus position corresponding to the extreme value Is detected.
  • an amplitude variation curve representing the variation in the amplitude of each odd-order spatial frequency component with respect to the variation in the focus position is also created, and at the focus position that is the extreme value of the amplitude variation curve.
  • the reference mark position deviation amount based on the intensity image data is acquired as an offset amount.
  • the offset amount is acquired for each order of the spatial frequency included in the intensity image of the reference mark, the position information of the reference mark is detected for each order, and the detection is performed.
  • the offset amount corresponding to the order is reflected in the mark measurement position.
  • the mark measurement position is determined by the weighted average value (including the case of weight 0) of the mark measurement position detected in each order. In this way, it is possible to accurately obtain the position based on the measurement position of the mark with a stable order.
  • the reference mark is positioned at a predetermined reference position in the field of the condensing optical system of the alignment system AS, for example, at the center of the field of view of the condensing optical system.
  • the amount of offset is acquired based on the amount of positional deviation from the reference position of the measurement position. In this way, it is possible to reduce the influence of the aberration of the condensing optical system on the mark measurement position based on the actual measurement result.
  • the wafer mark M is placed at the position of the reference mark when the reference mark is measured. In this case, the position of the reference mark in the field of view becomes the reference position. In this way, since both the reference mark and the wafer mark M are measured under the same aberration state, the influence of the aberration on the mark position due to the aberration of the condensing optical system is reduced.
  • the position of the reference mark in the alignment AS field of view may differ from the position of the wafer mark.
  • baseline measurements are made at multiple points in the field of view using multiple design baselines, and a baseline function is created with X and Y in the field of view as independent variables.
  • the value of the function when the XY position of the wafer mark M is substituted into the function may be used as the baseline.
  • Baseline measurements in multiple alignment systems may be performed using an interferometer standard and a single reference mark, or large so that multiple alignment system baseline measurements can be performed simultaneously.
  • a fiducial mark may be used at once.
  • a fiducial mark with a two-dimensional or one-dimensional grating mark formed on one side can be used to accommodate various shot sizes.
  • a vernier mark may be arranged so that measurement can be performed with coarse accuracy.
  • the mark position is measured based on the intensity image data at the focus position from which the offset amount is acquired.
  • the offset amount corresponding to the focus position where the position measurement was performed may be obtained from the fluctuation curve, and the offset amount may be reflected in the measurement position.
  • the wafer mark M formed on the wafer W is irradiated with the even-order diffracted light from the intensity of the odd-order diffracted light that is the reflected light of the illumination light from the light source 42. It is a mark that weakens the strength of. Therefore, the odd-order spatial frequency component of the spatial intensity image of the wafer mark M can be detected with high accuracy. As a result, the measurement error of the position information of the wafer mark M is reduced.
  • the periodic structure of the wafer mark M includes a spatial frequency component having a period P as a basic period and a spatial frequency component having a basic period of 2nP that is an even multiple of the period P. Contains.
  • the ratio of the periods of two different fundamental frequency components included in the cross-sectional shape of wafer mark M is an even ratio, even if the duty ratio of wafer mark M is not 1: 1, the second order or other low The intensity of the next even harmonic component can be reduced.
  • a periodic concavo-convex pattern having a period P as a basic period and an overall length in the period direction of nP is provided at intervals of 2np.
  • the width W in the period direction of the recesses of the concavo-convex pattern is set to be shorter than half of the period P.
  • the optical image of the wafer mark M surely includes two fundamental frequency components whose relationship is an even ratio.
  • the width W of the concave portion in the period direction is shorter than half of the period P, the measured mark position is not affected by the width of the concave portion. This increases the degree of freedom in designing the wafer mark M. As a result, the pitch of the mark can be made finer, and high-precision positioning becomes possible.
  • the alignment system AS guides the illumination light passing through the wafer mark M and the numerical aperture NAi of the illumination optical system that illuminates the wafer mark M with predetermined illumination light.
  • the sum (NAi + NA) of the condensing optical system that forms the intensity image of the wafer mark M is set to be smaller than the value obtained by dividing the wavelength of the illumination light by the period P. Yes. In this way, the higher-order even-order diffracted light does not enter the condensing optical system of the alignment system AS, and the higher-order even-order diffracted light does not contribute to the formation of the intensity image of the mark.
  • the illumination light in the alignment system AS is broadband light having a predetermined wavelength band
  • the numerical aperture NAi of the illumination optical system in the alignment system AS and its condensing light The sum of the numerical aperture NA of the optical system (NAi + NA) force It is set to be smaller than the value obtained by dividing the shortest wavelength ⁇ of the illumination light by the period ⁇ . That is, the most of the illumination light
  • the alignment system AS forms an intensity image of the wafer mark M by guiding the illumination light passing through the wafer mark M and the illumination optical system that illuminates the wafer mark with broadband illumination light.
  • a condensing optical system first objective lens 48 and second objective lens 58 to be detected, an image sensor 60 that photoelectrically detects the intensity image, and a Fourier transform of the signal corresponding to the detected intensity image.
  • an image processing system 62 for measuring the position information of the wafer mark M based on the odd harmonic components of the Fourier spectrum. In other words, since the mark position of wafer mark M is measured based on odd-order harmonic components with a large amplitude using broad-band illumination light, the mark position is high regardless of film interference and with a high SZN ratio. Can be measured with high accuracy.
  • the image processing system 62 does not position the intensity image of the wafer mark M due to the chromatic aberration of the condensing optical system (the first objective lens 48 and the second objective lens 58) of the alignment system AS. Since the position information of the wafer mark M is corrected based on this data, the mark position can be accurately measured regardless of the chromatic aberration of the focusing optical system of the alignment system AS.
  • the image processing system 62 performs correction of the position information of the wafer mark M according to the order of the odd-order harmonic component for measuring the position information of the wafer mark M.
  • the positional deviation data of the mark image due to different chromatic aberration is used. Because the passing position in the pupil plane of the condensing optical system (first objective lens 48, second objective lens 58) through which each order of diffracted light passes is different, it is necessary to obtain chromatic aberration for each order. .
  • the alignment system AS further includes a spectrometer 59 that measures the spectral reflectance characteristics of the wafer mark M. Based on the spectral reflectance characteristics of the wafer mark M with respect to the wavelength of the illumination light measured by the spectrometer 59, the image processing system 62 calculates mark position deviation data relating to the chromatic aberration of the focusing optical system of the alignment AS. To do. The measurement position of the wafer mark M is corrected based on the positional deviation data of the wafer mark M due to the calculated chromatic aberration of the condensing optical system. This makes it possible to correct chromatic aberration accurately based on the actually measured spectral reflectance characteristics.
  • the alignment system AS further includes a color filter 50 that can adjust the wavelength of the diffracted light that contributes to the formation of the intensity image of the wafer mark M.
  • Color filter 50 is connected to spectrometer 59. This is used to determine the relationship between the spectral reflectance characteristics of wafer mark M and the positional deviation of the intensity image of wafer mark M. If the color filter 50 is used in this way, the relationship between the wavelength of the illumination light and the lateral shift of the mark, that is, the positional shift due to chromatic aberration can be obtained with high accuracy.
  • alignment system AS forms 0-order light and odd-order diffracted light out of diffracted light from wafer mark M, and forms an intensity image of wafer mark M. Then, the intensity image is photoelectrically detected, the image signal corresponding to the detected intensity image is Fourier-transformed, and the position of the wafer mark M is measured based on the odd harmonic component of the Fourier spectrum. As a result, beats of even-order diffracted light and odd-order diffracted light are not included in the mark image as odd-order spatial frequency components, so that the mark position can be accurately measured.
  • the interference signal is not extracted at the pupil conjugate position of the condensing optical system unlike the alignment sensor disclosed in International Publication No. 98Z39689.
  • the image of the wafer mark M achromatic in this space is Fourier transformed.
  • the alignment AS according to the above embodiment can use a light source having a broadband wavelength range, and can accurately measure a mark position related to generation of optical noise such as speckle. Can do.
  • wafer mark M of the above embodiment can be variously modified. In the following, we will explain some of the strengths of these variations.
  • a narrow groove mark as shown in FIG. 24 can be employed.
  • This mark has one narrow groove in one cycle.
  • This mark has a basic period of 2P. From this mark, the numerical aperture NAi of the illumination optical system and the numerical aperture NA of the condensing optical system in the force alignment system AS that generate ⁇ 2nd order diffracted light in addition to 0th order light and odd order diffracted light Of NA (NAi + NA), the shortest wavelength of illumination light, and the fundamental period P
  • the ⁇ 2nd-order diffracted light does not enter the focusing optical system of the alignment system AS.
  • the 0th-order light and ⁇ 1st-order diffracted light contribute to the spatial intensity image of the wafer mark M imaged on the image sensor 60, and the 0th-order light and ⁇ 1
  • the fundamental frequency component force mark position of the intensity image by the next diffracted light can be detected. I will become.
  • FIG. 25 shows an example of a narrowed mark with a duty of 1: 1, unlike the mark described above.
  • Figure 25 shows the mark as seen from above, and the measurement direction is the X-axis direction.
  • the concave portion (groove portion) of the mark is displayed in gray.
  • the duty ratio between the bright part and the dark part in the measurement direction is 1: 1.
  • a concave / convex pattern is also formed in the recess in the non-measurement direction (direction perpendicular to the measurement direction, here the Y-axis direction).
  • the duty ratio of the unevenness in the non-measurement direction is 1: 1.
  • the mark's duty ratio is kept at 1: 1, so that the diffracted light generated by the mark force is only in the odd order, and the odd-order spatial frequency components are used as in the above embodiment.
  • the mark position can be measured with high accuracy.
  • the marks are narrowly grooved in the non-measurement direction, the structure is not easily deformed with respect to the CMP process, and the symmetry of the mark in the measurement direction is maintained. If such a mark is used, the mark position can be measured with high accuracy.
  • Fig. 26 shows a further modification of the mark. This mark has a narrow groove in the non-measurement direction than the mark shown in FIG. If such a mark is used, the deformation of the mark due to the CMP process is further suppressed, and the symmetry of the mark is maintained.
  • the depth of the recess can be set to an arbitrary depth. This improves the degree of freedom in designing the mark.
  • the wafer mark ⁇ ⁇ ⁇ may be a mark that has a concave portion that is narrower than the convex portion, and may be a mark that has a convex portion that is narrower than the concave portion.
  • the arrangement position of the color filter 50 may be between the half mirror and the condenser lens. If the chromatic aberration is negligibly small, the color filter 50 and the spectrometer 59 need not be provided. In this way, the alignment AS can be modified in various ways.
  • the wavelength of the illumination light of the alignment AS may be any lamp other than the halogen lamp as long as it is other than the wavelength at which the resist is exposed.
  • the concave / convex pattern mark has been described.
  • the bright portion and the dark portion may be light and dark marks arranged and formed in the same manner as the convex portion and the concave portion in the above embodiment.
  • a mark that generates a finite harmonic can be employed as the mark.
  • a mark having a sinusoidal amplitude distribution, a mark having a sinusoidal phase distribution, or a mark having an exponential amplitude distribution can be employed.
  • the mark may have a duty ratio of 1: 1. This is because even such a mark generates only 0th-order light and odd-order diffracted light.
  • the mark is a step mark with a duty ratio of 1: 1 and a constant mark reflectivity, if ⁇ 1, the intensity of the 0th order light will be weakened as a whole, and the mark intensity The image contrast may be significantly reduced.
  • the narrow groove mark as in the above embodiment has a different duty ratio, it is possible to detect the intensity image of the mark with high contrast without losing the 0th-order light.
  • the alignment AS has a predetermined wavelength band ( ⁇ ⁇ e).
  • the present invention can be applied to an alignment system that can selectively use light having the best mark measurement accuracy according to the wafer mark. That is, the mark position is corrected using the amount of chromatic aberration corresponding to the selected wavelength.
  • the color filter 50 is used to change the wavelength of the diffracted light so that the intensity of the 0th-order light is increased before the mark measurement.
  • the wavelength of the diffracted light that contributes to the image formation may be adjusted.
  • the 0th-order light becomes strong, the contrast of the intensity image on the imaging surface of the imaging element 60 increases, and the mark position can be measured with higher accuracy.
  • the use of such a color filter 50 is not limited to alignment systems that use broadband illumination light.
  • the mark may generate even-order diffracted light.
  • a spatial filter that removes even-order diffracted light may be provided in the alignment system.
  • the reticle alignment mark on the reticle R is also a narrow groove mark similar to the mark according to the above embodiment, and the present invention can be applied.
  • the present embodiment can be regarded as a measurement method in which a coherence factor is 1 or more and a mark to be measured is a so-called fine groove mark.
  • the exposure apparatus 100 has one alignment system, but a plurality of alignment systems may be provided.
  • Figure 27 shows an example of the alignment of four alignment systems.
  • Each alignment system AS1 to AS4 has the same configuration as the alignment system AS shown in Fig. 2 (A).
  • Each alignment system AS1 to AS4 is finely moved in the XY plane by a drive unit (not shown), and the optical axes Oal, Oa2, Oa3, and Oa4 of each alignment system are positioned at arbitrary XY positions within a predetermined range. I am able to do that.
  • the relative intervals Xkl, Xk2, Ykl, Yk2 of the optical axes Oal, Oa2, Oa3, Oa4 can be set to an integral multiple of the shot interval in the X-axis and Y-axis directions. Within each field of view, it is possible to capture four wafer marks simultaneously.
  • the mark position can be measured simultaneously at four measurement points.
  • the marks are measured simultaneously at four measurement points using the four alignment systems AS1 to AS4.
  • the value of the reference mark position variation curve at the extreme value of the amplitude variation curve at the focus position is acquired as the offset amount.
  • the offset amount at the focus position which is the extreme value of the amplitude fluctuation curve for alignment system AS1 is estimated from each amplitude fluctuation curve. This makes it possible to measure the mark position simultaneously at four measurement points without moving the mark while moving the wafer stage in the focus direction during fine alignment.
  • the reference mark for measuring the baseline is also a mark having the same design as the wafer mark M. Therefore, if ⁇ 1 is set, the aberration does not change with time. As long as the curve of the mark measurement position does not change depending on the mark step, reflectivity, etc., high-accuracy baseline measurement is possible. The baseline measurement in this case is also obtained for each order.
  • the detected mark intensity image is decomposed into odd-order spatial frequency components, and the mark position is measured for each order of the spatial frequency component.
  • An edge of a corresponding photoelectric signal may be detected, and the mark position may be measured using an edge detection method or an autocorrelation method for detecting the edge position force mark position.
  • the alignment system AS is an epi-illumination detection system, but it may be a trans-illumination detection system.
  • the glow rare alignment such as the EGA method is adopted as the alignment method, but it is needless to say that die-by-die alignment may be adopted.
  • KrF excimer laser light (248 nm) ArF Force explained for using excimer laser light (193nm) Not limited to this, g-line (436nm), i-line (365nm), F laser light (157nm), Ar excimer laser (126nm), copper
  • Harmonics such as vapor laser, YAG laser, and semiconductor laser can be used as exposure illumination light.
  • a DFB semiconductor laser or a fiber laser force is oscillated in the infrared or visible single wavelength laser, for example, erbium (or erbium). It is also possible to use harmonics that have been amplified with a fiber amplifier doped with both yttrium and yttrium and wavelength-converted into ultraviolet light using a nonlinear optical crystal.
  • the projection optical system PL may be any one of a reduction system, an equal magnification or an enlargement system, and any of a refraction system, a catadioptric system, and a reflection system. Either may be used.
  • a projection optical system PL composed of a plurality of lenses is incorporated in the exposure apparatus. After that, by making optical adjustments, attaching a reticle stage and wafer stage consisting of many mechanical parts to the exposure apparatus body, connecting wiring and piping, and making overall adjustments (electrical adjustment, operation check, etc.)
  • the exposure apparatus of each embodiment can be manufactured. It is desirable to manufacture the exposure apparatus in a clean room where the temperature and cleanliness are controlled.
  • the step 'and' scan type projection exposure apparatus has been described.
  • the present invention is not limited to this, and a step 'and' repeat type projection exposure apparatus or a proximity type exposure apparatus, etc.
  • the present invention can also be applied to other exposure apparatuses.
  • the present invention can also be suitably applied to a step-and-stitch reduction projection exposure apparatus that synthesizes a shot area and a shot area.
  • the present invention can also be applied to a twin stage type exposure apparatus having two wafer stages as disclosed in, for example, pamphlet of WO 98/24115 and pamphlet of WO 98/40791.
  • the present invention can also be applied to an exposure apparatus using a liquid immersion method disclosed in International Publication No. 99Z49504.
  • the present invention is not limited to an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor, but is used for manufacturing a display including a liquid crystal display element and the like.
  • Device pattern used for ceramic on a ceramic wafer It can also be applied to exposure equipment used for manufacturing transfer equipment, imaging devices (CCD, etc.), micromachines, organic EL, DNA chips, etc.
  • EUV light with an oscillation spectrum of 5 to 15 nm (soft X-ray region)
  • X-rays or electron beams using thermionic emission lanthanum hexabolite (LaB), tantalum (Ta) as an electron gun, and Ion Bee
  • the present invention may be applied to an exposure apparatus that uses a charged particle beam such as a photon as an exposure beam.
  • a light-transmitting mask in which a predetermined light-shielding pattern (or phase pattern / dimming pattern) is formed on a light-transmitting substrate, or a light-reflecting substrate
  • a transmission pattern, reflection pattern, or light-emitting pattern was formed based on the electronic data of the pattern to be exposed.
  • An electronic mask may be used. Such an electronic mask is disclosed, for example, in US Pat. No. 6,778,257.
  • the above-described electronic mask is a concept including both a non-light-emitting image display element and a self-light-emitting image display element.
  • the non-luminous image display element is also called a spatial light modulator (Spatia 1 Light Modulator), and is an element that spatially modulates the amplitude, phase, or polarization state of light, and is a transmissive spatial light modulator.
  • a reflective spatial light modulator is also called a spatial light modulator (Spatia 1 Light Modulator), and is an element that spatially modulates the amplitude, phase, or polarization state of light, and is a transmissive spatial light modulator.
  • the transmissive spatial light modulator includes a transmissive liquid crystal display (LCD), an electrochromic display (ECD), and the like.
  • reflective spatial light modulators include DMD (Digital Mirror Device) or reflective digital array devices, reflective liquid crystal display elements, electrophoretic displays (EPDs), electronic Examples include eno (or electronic ink), light diffraction light valve (Grating Light Value), etc.
  • Self-luminous image display elements include CRT (Cathode Ray Tube), inorganic EL (Electro Luminescence) display, field emission display (FED) ⁇ plasma display (PDP: Plasma Display Panel), A solid light source chip having a plurality of light emitting points, a solid light source chip array having a plurality of chips arranged in an array, or a solid light source array in which a plurality of light emitting points are formed on a single substrate (for example, LED (Light Emitting Diode) ) Display, OLED (Organic Light Emitting Diode) display, LD (Laser Diode) display, etc.).
  • PDP Plasma Display Panel
  • Each picture of the well-known plasma display (PDP) When the fluorescent material provided in the element is removed, a self-luminous image display element that emits light in the ultraviolet region is obtained.
  • a reticle or mask used in a light exposure apparatus EUV exposure apparatus, X-ray exposure apparatus, electron beam exposure apparatus, and the like that are only connected to microdevices such as semiconductor elements, a glass substrate or silicon
  • the present invention can also be applied to an exposure apparatus that transfers a circuit pattern onto a wafer or the like.
  • a transmission type reticle is generally used.
  • stone glass, fluorine-doped quartz glass, meteorite, and the like are used.
  • Magnesium fluoride, or quartz is used.
  • a proximity type X-ray exposure apparatus or electron beam exposure apparatus uses a transmission mask (stencil mask, membrane mask), and a silicon wafer or the like as a mask substrate.
  • the exposure light of the exposure apparatus is not limited to light having a wavelength of lOOnm or more, and light having a wavelength of less than lOOnm may be used.
  • EUV Extreme Ultraviolet
  • a soft X-ray region for example, a wavelength range of 5 to 15 nm
  • An EUV exposure apparatus using an all-reflection reduction optical system designed under the exposure wavelength (for example, 13.5 nm) and a reflective mask has been developed.
  • a configuration is conceivable in which scanning exposure is performed by synchronously scanning a mask and a wafer using arc illumination.
  • the present invention can also be applied to an exposure apparatus that uses a charged particle beam such as an electron beam or an ion beam.
  • the electron beam exposure apparatus may be any of a pencil beam method, a variable shaped beam method, a cell projection method, a blanking / aperture array method, and a mask projection method.
  • an optical system including an electromagnetic lens is used in an exposure apparatus using an electron beam.
  • the alignment mark is not used only for alignment in the exposure apparatus.
  • an overlay measuring instrument that measures an overlay error of a shot area on a wafer performs measurement on a wafer.
  • the present invention can also be applied to a mark and alignment system used for alignment of an apparatus that requires alignment. This As described above, the present invention can be adopted as long as it is a positioning mark formed on an object or a measuring device that measures positional information of the mark.
  • the pattern method of the present invention is not limited to an exposure apparatus, and the mark measurement apparatus of the present invention that measures position information of a mark formed on an object, and the position information measured by the mark measurement apparatus Therefore, the present invention can be applied to any device provided with a control device that controls the position of an object during pattern formation.
  • the present invention can also be applied to a pattern forming apparatus similar to an element manufacturing apparatus provided with an ink jet type functional liquid applying apparatus similar to the ink jet head group disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-130312. It is.
  • the inkjet head group disclosed in the above publication discloses a predetermined functional liquid (metal-containing liquid, photosensitive material, etc.) discharged from a nozzle (discharge port) onto a substrate (eg, PET, glass, silicon, paper, etc.).
  • a substrate eg, PET, glass, silicon, paper, etc.
  • a plurality of inkjet heads to be applied are provided. Therefore, the position information of the mark formed on the substrate is measured by the mark measuring device, and the control device controls the relative position of the substrate with respect to the inkjet head group at the time of pattern formation based on the measurement result. can do.
  • Microdevices include device functional / performance design steps, mask (reticle) manufacturing steps based on these design steps, substrate processing steps, device assembly steps (dicing process, bonding process, knocking process) Manufactured) and inspection steps.
  • substrate processing step a pre-processing step necessary for the substrate (wafer or glass plate or the like) is performed, a mask (reticle) pattern is transferred to the substrate by the exposure apparatus of the above embodiment, and the exposed substrate is removed.
  • the development step, the step of removing the exposed member in the portion other than the portion where the resist remains by etching, the step of removing the unnecessary resist after the etching, and the like are repeatedly performed.
  • a pattern is formed on the substrate using the element manufacturing apparatus described above instead of exposure of at least one layer. It's also good. Also in this case, the pattern can be formed with high accuracy, and as a result, it becomes possible to improve the productivity (including yield) of the device.
  • the measurement method, measurement apparatus, and processing apparatus of the present invention are suitable for measuring the mark position.
  • the pattern forming method and device manufacturing method of the present invention are suitable for device manufacturing.

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Abstract

　アライメント系のコヒーレンスファクタσを１以上に設定し、マークからの０次光と奇数次回折光によるマークの強度像に相当する光電信号から、マークの位置情報を検出する。σ≧１の場合には、瞳上の同一の２点を通過する０次光と－１次回折光との光束ペアに対し、０次光と＋１次回折光との光束ペアが必ず存在するようになり、両者によるマーク像の位置ずれが相殺され、マークの段差又は収差変動によって、マーク位置ずれ量の変動が低減される。これにより、高精度にマークを検出することが可能となる。

Description

明 細 書
計測方法、計測装置及び処理装置、並びにパターン形成方法及びデバ イス製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、計測方法、計測装置及び処理装置、並びにパターン形成方法及びデ バイス製造方法に係り、さらに詳しくは、物体上に形成されたマークに照明光を照射 する照明光学系と、前記照明光の照射による前記マークからの回折光を集光する集 光光学系と、集光された光を電気信号に変換する光電変換装置とを備える検出装置 を用いた計測方法、該計測方法を用いる計測装置及び該計測装置を備える処理装 置、並びに前記計測方法を利用するパターン形成方法及び該方法を用いるデバイ ス製造方法に関する。
背景技術
[0002] 露光装置等のデバイス処理装置におけるデバイス製造に用いられるウェハ等の基 板 (以下、ウェハと総称する）の位置合わせ (ァライメント）においては、ウェハ上に回 路パターンとともに転写された位置合わせ用のマークを露光装置に備えられた光学 式のァライメント系で観察し、その観察結果に基づいて位置を計測する。マーク位置 の計測精度は、様々な要因によって低下する。例えば、 CMPプロセスなどで本来対 称であるべきマークが非対称となり、マークからの回折光の振幅と位相とが変化した 結果発生するマークシフト（WIS (Wafer Induced Shift) )はその要因の 1つである。
[0003] そこで、マークの計測精度を向上させるための技術が従来にも提案されている（例 えば、特許文献 1、 2参照)。近年のデバイスパターンの微細化に伴い、マーク位置の 計測精度に対する要求も厳しくなつてきており、ァライメント系の対物レンズが有する 収差（一般的に、波面収差の RMS値で ΙΟΟπι λ ( λ = 633nm)程度）が、マーク位 置の計測精度を低下させる大きな要因として考えられるようになってきて 、る。しかし ながら、一般に、対物レンズの収差自体の調整は、高コストで、長時間を要する。また 、収差を完全に 0にするのは極めて困難であるため、収差によるマークの位置ずれを ある程度見越したうえで、マーク計測を行うことになる。 [0004] また、収差によるマークの位置ずれ量は、マーク計測時のデフォーカスによってより 顕著となるため、計測の際には、フォーカス合わせを厳密に行う必要があった。また、 マークによってその段差量及び Z又は反射率などが異なり、個体差があると、収差量 、デフォーカス量が同じであっても、マークの計測位置が変動してしまう。
[0005] 最近では、ウェハ上の複数のマーク位置計測を同時に行う複数眼、例えば 4眼の ァライメント系を備えるデバイス処理装置も提案されている力 デフォーカスによって マーク計測位置が大幅にずれるような場合には、ウェハ面を調整し、ウェハ上の 4点 各々を同時に各眼でフォーカス合わせをするのは物理的に困難であり、実際には、 4 点以上のマークの同時計測が事実上不可能であった。
[0006] 特許文献 1：国際公開第 98Z39689号パンフレット
特許文献 2：特開 2001— 250766号公報
発明の開示
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、第 1の観点力 すると、物体上に形成された周期マークに照明光を照射 する照明光学系と、前記照明光に照射による前記周期マークからの 0次光及び奇数 次の回折光のみを集光する集光光学系と、集光された光を光電信号に変換する光 電変換装置とを備え、前記集光光学系の開口数に対する前記照明光学系の開口数 の比率力 ^以上に設定された検出装置を用いて、前記周期マークのその周期方向に 関する位置情報を検出する検出工程を含む第 1の計測方法である。
[0008] これによれば、集光光学系の開口数に対する照明光学系の開口数の比率が 1以上 に設定されたインコヒーレント状態でマークを計測し、かつ、ノイズ成分の要因となる 偶数次の回折光が低減された電気信号に基づいて周期マークの位置情報を検出す るので、集光光学系が有する収差とデフォーカスとの複合作用又は周期マークの個 体差とデフォーカスとの複合作用によるマーク位置の計測誤差の変動が低減され、 マークの位置情報を高精度に計測することが可能となる。
[0009] 本発明は、第 2の観点力 すると、物体上に形成されたマークに照明光を照射する 照明光学系と、そのマークからの回折光を集光する集光光学系と、集光された光を 電気信号に変換する光電変換装置とを備え、前記集光光学系の開口数に対する前 記照明光学系の開口数の比率が 1以上に設定された検出装置を用いて、第 1周期を 基本周期とする第 1成分と、前記第 1周期の偶数倍の第 2周期を基本周期とする第 2 成分とを含む周期マークのその周期方向に関する位置情報を検出する検出工程を 含む第 2の計測方法である。
[0010] これによれば、集光光学系の開口数に対する照明光学系の開口数の比率が 1以上 に設定されたインコヒーレント状態で、第 1周期を基本周期とする第 1成分と、前記第 1周期の偶数倍の第 2周期を基本周期とする第 2成分とを含む周期マークを計測し、 その計測時に周期マークからの回折光を集光し、その集光された光を光電変換した 電気信号に基づいてその周期マークの周期方向に関する位置情報を検出する。こ の場合、周期マークに含まれる、 2つの異なる基本周波数成分の周期の比が偶数比 であるので、この周期マークからはノイズ成分の要因となる偶数次の回折光の強度が 低減された回折光が発生する。従って、集光光学系が有する収差とデフォーカスとの 複合作用又は周期マークの個体差とデフォーカスとの複合作用によるマーク位置の 計測誤差の変動が低減され、マークの位置情報を高精度に計測することが可能とな る。
[0011] 本発明は、第 3の観点力 すると、物体上の複数の異なる場所に配置された複数マ ーク各々を同時に計測可能に配置され、前記物体上に形成されたマークに照明光 を照射する照明光学系と、そのマーク力 の回折光^^光する集光光学系と、集光 された光を電気信号に変換する光電変換装置とを備え、そのマークの位置情報を検 出する複数の検出装置を用いて、前記集光光学系に対する前記マークのフォーカス 位置を所定範囲で変化させながら、任意のサンプリング間隔で、前記マークの位置 情報を計測する第 3の計測方法である。
[0012] これによれば、複数の検出装置を用いて、複数のマークの位置情報が同時に計測 される。この場合、それぞれの検出装置で計測時に物体のベストフォーカス合わせを する必要がなくなり、かつ各検出装置で複数の異なるフォーカス位置でのマーク位置 の計測結果を利用するので、平均化効果により、マークの位置情報の計測精度を向 上させることができる。
[0013] 本発明は、第 4の観点力もすると、本発明の第 1ないし第 3の計測方法のいずれか を用いて、処理対象となる物体上に形成された位置合わせ用マークの位置情報を計 測する第 1の計測装置である。
[0014] これによれば、物体上のマークの位置情報を高精度に計測することが可能となる。
[0015] 本発明は、第 5の観点力 すると、物体上に形成された周期マークに照明光を照射 する照明光学系と;前記照明光の照射による前記周期マークからの 0次光及び奇数 次の回折光のみを集光する集光光学系と;集光された光を電気信号に変換する光 電変換装置と；前記電気信号に基づ!、て、前記周期マークの周期方向に関する位 置情報を算出する算出装置と;を備え、前記集光光学系の開口数に対する前記照明 光学系の開口数の比率が 1以上に設定されている第 2の計測装置である。
[0016] これによれば、周期マークの位置情報を高精度に計測することが可能となる。
[0017] 本発明は、第 6の観点力 すると、物体上に形成されたマークに照明光を照射する 照明光学系と、そのマークからの回折光を集光する集光光学系と、集光された光を 電気信号に変換する光電変換装置とをそれぞれ備え、前記物体上の複数の異なる 場所に配置された複数の前記マーク各々を同時に計測可能に配置された複数の検 出装置と;前記集光光学系の光軸方向に関する前記物体の位置を所定範囲で変化 させながら、任意のサンプリング間隔で、前記複数の検出装置を用いて、前記複数 のマークの位置情報を計測する制御装置と；を備える第 3の計測装置である。
[0018] これによれば、制御装置により、複数の検出装置を用いて、複数のマークの位置情 報が同時に計測される。また、この場合、それぞれの検出装置で計測時に物体のベ ストフォーカス合わせをする必要がなくなり、かつ各検出装置で複数の異なるフォー カス位置でのマーク位置の計測結果を利用するので、平均化効果により、マークの 位置情報の計測精度を向上させることができる。
[0019] 本発明は、第 7の観点力 すると、上記第 1〜第 3の計測装置のいずれかと;該計測 装置の計測結果に基づ 、て前記物体の位置を制御する位置制御装置と；を備える 処理装置である。
[0020] これによれば、物体を高精度に位置制御 (位置決め、位置合わせを含む)すること が可能になる。
[0021] 本発明は、第 8の観点力 すると、物体上にパターンを形成するパターン形成方法 であって、本発明の第 1ないし第 3の計測方法のいずれかを用いて、前記物体上に 形成された位置合わせ用マークの位置情報を計測する計測工程と;前記位置情報 の計測結果に基づ 、て、前記パターンの形成時における前記物体の位置を制御す る制御工程と；を含むパターン形成方法である。
[0022] これによれば、物体上に精度良くパターンを形成することが可能になる。
[0023] 本発明は、第 9の観点力もすると、上記パターン形成方法を用いて物体上にパター ンを形成する工程と；前記パターンが形成された前記物体に処理を施す工程と；を含 むデバイス製造方法である。
[0024] これによれば、デバイスの生産性 (歩留まりを含む）を向上させることが可能になる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]一実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
[図 2]図 2 (A)は、ァライメント系の概略構成を示す図であり、図 2 (B)は、コマ収差を 有する凸レンズでの各フォーカス位置での位置ずれを示す模式図である。
[図 3]図 3 (A)〜図 3 (C)は、フォーカス—マーク計測位置変動曲線の一例（その 1)を 示す図である。
[図 4]図 4 (A)、図 4 (B)は、フォーカス—マーク計測位置変動曲線の一例を示す図 である。
[図 5]図 5 (A)〜図 5 (D)は、 σく 1の場合の瞳面を説明するための図である。
[図 6]図 6 (A)〜図 6 (D)は、 σ≥ 1の場合の瞳面を説明するための図である。
[図 7]—実施形態に係るウェハマークの断面図である。
[図 8]マークを複素関数表示した図である。
[図 9]マークの複素平面の断面図である。
[図 10]マークの交流成分を示す図である。
[図 11]マークの直流成分を示す図である。
[図 12]複素振幅 ACを示す図である。
[図 13]複素振幅 Bを示す図である。
[図 14]複素振幅 Cを示す図である。
[図 15]空間周波数 1Z6Pの矩形波のフーリエスペクトルを示す図である。 [図 16]空間周波数 lZPの矩形波のフーリエスペクトルを示す図である。
[図 17]振幅分布 ACのスペクトルを示す図である。
[図 18]ウェハマークの断面形状の他の例を示す図である。
[図 19]ウェハマークの断面形状の一般例を示す図である。
[図 20]準備処理のフローチャートである。
[図 21]図 21 (A)は、フォーカスーマーク位置の変動曲線を示す図であり、図 21 (B) は、フォーカスー振幅の変動曲線を示す図であり、図 21 (C)は、フォーカスーマーク 位置の変動曲線を示す図である。
[図 22]露光処理のフローチャートである。
[図 23]フォーカス—マーク位置の変動曲線を示す図である。
[図 24]ウェハマークの他の例（その 1)を示す図である。
[図 25]ウェハマークの他の例（その 2)を示す図である。
[図 26]ウェハマークの他の例（その 3)を示す図である。
[図 27]複数の視野を有するァライメント系の概略構成を示す斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明の一実施形態を図 1〜図 23に基づいて説明する。図 1には、一実施 形態に係る計測方法を好適に適用可能な露光装置 100の概略的な構成が示されて いる。露光装置 100は、ステップ 'アンド'スキャン方式の投影露光装置である。図 1に 示される露光装置 100は、照明系 10、レチクル Rが保持されるレチクルステージ RST 、投景光学系 PL、ウェハ Wが保持されるウェハステージ WST、ウェハ W上のマーク を計測するためのァライメント系 AS、及びこれらの制御系等を備えている。
[0027] 照明系 10は、例えば特開 2001— 313250号公報 (対応する米国特許出願公開第 2003Z0025890号明細書)などに開示される照明系と同様に構成されている。す なわち、照明系 10は、パルスレーザ光などのコヒーレントな露光用照明光 (露光光） を、レチクルステージ RSTに向けて射出する。
[0028] レチクルステージ RSTは、レチクル Rを、例えば真空吸着により保持している。レチ クルステージ RSTは、 XY平面内で微動可能であるとともに、 Y軸方向に指定された 走査速度で移動可能となって!/、る。レチクルステージ RSTの位置情報は干渉計 16 によって計測されている。この干渉計 16の計測値に基づいて、主制御装置 20の指 示の下、ステージ制御装置 19によりレチクルステージ RSTの位置及び速度が制御さ れる。
[0029] 投影光学系 PLは、 XY平面に直交する Z軸に平行な光軸を有する、両側テレセント リックな光学系であり、所定の投影倍率 (例えば、 1Z4)を有する。照明系 10からの 露光光によってレチクル Rの一部が照明されると、照明された部分に対応する回路パ ターン等の投影像力 投影光学系 PLを介して、後述するウェハステージ WSTに保 持されたウェハ W上に投影される。
[0030] ウェハステージ WSTは、リニアモータ等を含むステージ駆動系 24によって、 X軸方 向及び Y軸方向に自在に駆動されるとともに、 Z軸方向及び回転方向（ θ X方向（X軸 回りの回転方向）、 Θ y方向（Y軸回りの回転方向）及び 0 z方向（Z軸回りの回転方向 ) )に微小駆動が可能な 6自由度ステージである。ウェハステージ WSTの上には、ホ ルダ 25を介してウェハ Wが真空吸着などにより保持されている。上記各軸回りの回 転は、投影光学系 PLの光軸 AXを基準として行われる。すなわち、ウェハステージ W STの駆動により、ウェハ保持面を、投影光学系 PLの光軸 AXを基準に 6自由度方向 に移動させることが可能である。なお、ウェハステージ WSTとして、上述の単一の 6 自由度ステージに代えて、 XY平面内で自在に移動可能な 3自由度ステージと、該ス テージ上で Ζ、 θ X及び Θ yの 3自由度方向に微動可能な 3自由度ステージ (又は 6自 由度方向に微動可能なステージ）とを備えた構成を採用しても良 ヽ。
[0031] ウェハステージ WSTの 6自由度方向の位置情報は、干渉計 18によって計測されて いる。この干渉計 18の計測値に基づいて、ステージ制御装置 19により、ウェハステ ージ WSTの位置制御が行われる。ウェハステージ WST上には、基準マーク板 FM が設けられている。基準マーク板 FM上には、ァライメントの基準となる各種基準マー クが設けられている。本実施形態では、基準マークとして、 0次光以外の偶数次の回 折光の強度が低減され、 0次光と奇数次の回折光のみが発生するマークを採用する 。もし、偶数次の回折光の強度が低減されない場合には、マークの強度像に含まれ る各次数の空間周波数成分に、 0次成分及び奇数次高調波成分の他に、奇数次高 調波成分と偶数次高調波成分とのビート成分も含まれるようになる。このような場合、 各回折光の強度が少しでも変化すると、その変化に応じて、後述するァライメント系 A Sによって計測される基準マークの位置は、その対物レンズの収差によってずれるよ うになる。
[0032] この位置ずれを防止するため、本実施形態では、基準マークを、 0次光と奇数次回 折光のみ発生するようなマークとする。ァライメント系 ASでは、マークの強度像に含ま れる複数次数の空間周波数成分、すなわち 0次光と、正負の同一奇数次回折光との 3光束干渉による成分の位相をもってマークの位置情報を計測し、各回折光の振幅 の比率が変化しても収差の影響でその成分の位相検出に誤差が極力発生しないよ うにする。なお、この基準マークの Z位置は、ホルダ 25に保持されたウェハ Wの面の Z位置とほぼ同じとなるように設定されている。なお、この基準マークの具体的形状に ついては、後述する。
[0033] ステージ制御装置 19は、主制御装置 20からの指示に従って、レチクルステージ R ST、ウェハステージ WSTの位置及び速度を制御する。ステージ制御装置 19は、両 ステージ WST、 RSTを独立して制御することもできるし、両ステージ WST、 RSTを同 期走査させることちできる。
[0034] 主制御装置 20は、装置全体を統括制御するコンピュータである。主制御装置 20は 、上位装置とのデータ送受信を行う他、露光装置 100内の各種構成要素を制御し、 露光装置 100で行われる工程を統括管理する。
[0035] 投影光学系 PLの Y側近傍には、オファクシスのァライメント系 ASが設けられて ヽ る。ァライメント系 ASは、基準マーク板 FM上の基準マーク及びウェハ W上に形成さ れた位置合わせ用のマーク（ウェハマーク）の位置計測を行う。ァライメント系 ASは、 ウェハマークの空間強度像を光電検出し、検出結果に基づいて、 XY座標系でのゥ ェハマークの位置情報を検出する。
[0036] 02 (A)には、ァライメント系 ASの構成の一例が示されて!/、る。図 2 (A)に示される ように、ァライメント系 ASは、光源 42、コンデンサレンズ 44、ハーフミラー 46、ァパー チヤ 47、第 1対物レンズ 48、色フィルタ 50、ハーフミラー 52、第 2対物レンズ 58、分 光計 59、撮像素子 60、画像処理系 62、及びコントローラ 64等を備えている。
[0037] 光源 42は、ウェハ W上のフォトレジストを感光させない、所定幅の波長帯域の光を 発する。このような光源 42としては、例えば、ハロゲンランプが好適に用いられる。ノヽ ロゲンランプ力も発せられる照明光は、十分に広い波長帯域を有しており、これにより 、レジスト層での薄膜干渉によるマークの検出精度の低下が防止される。以下では、 この波長帯域を、 X nm〜え nmとする。ここで、 λ < λであり、 λ は例えば、 530
0 1 0 1 0
nmであり、 λ は例えば、 900nmである。
1
[0038] 光源 42からの照明光は、コンデンサレンズ 44により平行光に変換される。この平行 光はハーフミラー 46で反射され、色フィルタ 50、第 1対物レンズ 48を介してウェハ W 上のウェハマーク Mの近傍に集光される。すなわち、ァライメント系 ASは、ウェハマ ーク Mを落射照明する照明光学系を備えており、照明光学系は、コンデンサレンズ 4 4、第 1対物レンズ 48によって構成されている。
[0039] ウェハマーク Mからは、この照明光の反射光が射出される。ウェハマーク Mは、基 準マーク板 FM上のマークと同様に、 0次光及び奇数次回折光のみを発生させるマ ークとなっている。ウェハマーク Mの詳細については、後述する。ウェハマーク Mから の各回折光は、第 1対物レンズ 48により、ウェハ面との瞳面 (フーリエ変換の関係に ある面）内の異なる位置を通過する互いに平行な光に変換される。ァライメント系 AS では、第 1対物レンズ 48と、アパーチャ 47と、第 2対物レンズ 58とによって結像光学 系 (集光光学系）が構成される。各回折光は、集光光学系の瞳面内の異なる位置を 通過するようになる。各回折光は、色フィルタ 50、ハーフミラー 46を通過した後、ァパ 一チヤ 47に入射する。アパーチャ 47により、集光光学系の瞳面内の光束が絞られる 。アパーチャ 47により、集光光学系の開口数が制限されるため、図 2 (A)では、ァライ メント系 ASにおける集光光学系の開口数に対する照明光学系の開口数の比率、す なわちコヒーレンスファクタ σは、 1以上（σ≥1)となっている。なお、本実施形態で は、アパーチャ 47により、集光光学系の開口数を決定 (制限)するようにし、これによ りコヒーレンスファクタ σを 1以上にするように構成している力 本発明はこれに限られ るものではない。集光光学系の瞳面 (フーリエ変換面相当の面）を通過する光束の径 以上の径が照明系側で設定されていれば良い。アパーチャ 47を通過した光束は、 第 2対物レンズ 58に入射する。第 2対物レンズ 58から射出された各回折光は、ハー フミラー 52に入射する。ハーフミラー 52で反射された各回折光は分光計 59に入射し 、ハーフミラー 52を透過した各回折光は、ウェハ Wの面と共役位置にある撮像素子 6 0の撮像面に集光される。
[0040] 撮像素子 60は、例えば 2次元 CCD (電荷結合素子)である。撮像素子 60の撮像面 は、ウェハ Wの面と共役位置にあり、撮像素子 60の撮像面上に、ウェハマーク Mの 光学強度像が結像するようになっている。撮像素子 60の撮像面には 0次光も入射す るので、この光学強度像は、ウェハマーク Mからの 0次光が結像に寄与する、いわゆ る明視野像となる。
[0041] <波長選択 >
色フィルタ 50は、ァクチユエータ 66に接続されており、ァライメント系 ASの第 1対物 レンズ 48、アパーチャ 47、第 2対物レンズ 58によって構成される集光光学系の光軸 を中心とする領域に挿入 Z退避が可能となっている。これにより、色フィルタ 50は、そ の集光光学系の瞳面内の所定の位置を通過する光を遮蔽することが可能となる。ァ クチユエータ 66の位置は、コントローラ 64によって制御される。このコントローラ 64の 制御により、色フィルタ 50は、任意の波長の光を遮蔽して、通過させないようにするこ とが可能となる。すなわち、色フィルタ 50により遮蔽される光の波長は、コントローラ 6 4により決定される。
[0042] 分光計 59は、入射した光の波長ごとに、その強度 (すなわち分光反射率)を計測可 能である。回折光の波長帯域は、 λ nm〜え nmであるため、分光計 59は、その波
0 1
長帯域内における各波長での分光反射率を計測するようになる。この計測結果は、 画像処理系 62に送られる。
[0043] 集光光学系の色収差によって、マークシフトが発生する場合には、マークの分光反 射率を分光計 59によって計測し、その分光特性に応じて色収差を補正することが可 能である。色収差量は、高調波の次数に応じて計測しておくのが望ましい。色収差量 の計測は、分光反射率既知のマークを用いて行われる。なお、この色による影響は、 以下の対応により解決することもできる。波長が 530〜800nmの白色照明に対して、 Red: 700〜800nm、 Orange : 600〜 710nm、 Green: 530〜610nmの色フィルタ を準備し、レジスト厚、マーク段差未知のマークに対し、 R、 0、 Gいずれか 1色でマー クと FM (フイデユーシャルマーク）を両方見れば TISの発生はない。なお、 R、 0、 G のうち、信号振幅の最大のものを使うことが望ましい。
[0044] また、プロセスによって、ウェハ W上の薄膜の厚さの変化などにより、照明光の波長 帯域によって、計測結果の安定性 (再現性)が変わることがある。このような場合には 、最適な波長帯域（=最大の信号が得られるフィルタ）を選択する。もちろん、ベース ライン計測も同じ波長帯域の照明光によって行うことが望ましいことはいうまでもない
[0045] 撮像素子 60は、ウェハマーク Mの光学強度像に相当する情報が含まれる撮像面 上の光強度分布を電気信号に変換し、それを画像信号として、画像処理系 62に送 る。画像処理系 62は、その画像信号（2次元画像データ）に対し所定の画像処理を 行う。より具体的には、まず、画像処理系 62は、 2次元画像信号を、マーク位置の計 測方向に関する波形データに 1次元化する。そして、その 1次元波形データに含まれ る、回折格子状のウェハマーク Mの基本周期に対応する基本周波数成分及び奇数 次高調波成分の少なくとも 1つ (すなわち少なくとも 1つの奇数次の空間周波数成分） をフーリエ変換により求め、各奇数次の空間周波数成分の位相を求める。その位相 力 その空間周波数成分により求められる、ウェハ W上での計測軸方向に関するゥ ェハマーク Mの設計位置座標力もの横ずれ量、すなわちマーク計測位置となる。
[0046] このようにして求まるマーク計測位置は、理想的な状態ではすべての次数において 一致するはずである。しかしながら、マーク計測位置は、ァライメント系 ASの集光光 学系の収差により、次数毎にずれる。マークが対称である場合は、本実施形態ではィ ンコヒーレント結像になっているので各フォーカス位置での点像の非対称性による影 響のみにより位置ずれが発生する。すなわち、フォーカス位置が求まれば位置ずれ 量を予測できる。図 2 (B)には、コマ収差により発生する各フォーカス位置での位置 ずれ量が模式的に示されている。図 2 (B)に示される凸レンズを経由した波面は、そ の凸レンズが有するコマ収差により、理想的な波面 Aに対して、歪んだ波面 Bとなる。 シミュレーションによれば収差 (コマ収差）によるテレセンへの影響は 2次的な「くの字 」（図 2 (B)では、曲線 Cで示されている）であるので、このような 2次関数を用いてフォ 一カス位置を求めることができる。
[0047] マーク波形に、プロセスに起因する非対称性、いわゆるプロセスノイズが乗る場合、 プロセスノイズの少ない次数を選択する。プロセスノイズの少ない次数を選んで、次 数毎に求められたすべてのマーク計測位置の平均 (又は重み付け平均）を、最終的 なマーク位置として求めても良い。基本周波数成分及びその奇数次高調波成分のう ち、どの次数の成分を計測に用いるかは任意であるが、実際の計測精度に基づき、 最も良好なもの（例えば、 EGAランダム成分が少ないもの、又は再現性の良いもの） を選択することができる。例えば、マーク下地のランダムノイズの空間周波数成分が 既知であれば、ランダムノイズの成分が大き 、空間周波数のデータを計測に用いな いようにすることができる。一般的に、ランダムノイズが有する周波数成分は、低い帯 域のものであることが多いため、高調波成分のマーク位置を採用することになる場合 が多い。
[0048] また、空間周波数成分の次数毎に、計測結果のばらつきが異なるような場合には、 そのばらつきが小さいものを採用することができる。信号振幅が不足して電気ノイズ（ ランダムノイズ）が目立つ場合、フォーカスステップ数を増力！]させる。又は、画像の蓄 積時間を増加させることで改善する。プロセスノイズは次数と波長の選択により最小 化する。また、上述にようにして選択された空間周波数成分で検出されたマーク計測 位置の平均値 (又は重み付け平均)を、最終的なマーク位置として算出するようにし ても良い。画像処理系 62は、このようにして、撮像視野内におけるウェハマーク Mの 位置座標を算出する。そのウェハマーク Mの位置座標は、主制御装置 20に送られる
[0049] 上述したように、ァライメント系 ASでは、アパーチャ 47による結像光束の制限を調 整することにより、照明光学系の開口数に対する集光光学系の開口数の比率、すな わちコヒーレンスファクタ σの値を、所定の範囲で、任意に設定することが可能である 。仮に、 σ =∞と設定可能であるとすると、ァライメント系 ASにおいて検出されるゥェ ハマーク Mの強度像は、インコヒーレント結像となる。インコヒーレント結像では、点像 分布関数 PSFと、ウェハマーク Mの振幅分布の絶対値の自乗のコンボリューシヨンが 、そのマークの強度像の強度分布となる。このような状態では、ウェハマーク Mの位 相分布と、ァライメント系 ASの集光光学系の収差とによるインターアクション (交互作 用）がなくなるので、例えばデコンボリューシヨンによる像回復を行うことも可能である 。また、インコヒーレント結像下であれば、ァライメント系 ASの集光光学系の収差の影 響が低減される。例えば、計測するマークが、下地の段差によって形成される段差マ ークであるとする。段差マークでは、マークによって段差量、反射率、非対称性等が 異なるが、インコヒーレント結像下では、ァライメント系 ASの集光光学系の収差とそれ らとの相互作用によって、空間周波数成分ごとのマーク計測位置が殆ど変化しなくな る。
[0050] ところが、実際に、 σ =∞を実現するのは困難であり、実際には、 0< σ < <∞の 範囲で σを設定し、いわゆるパーシャルコヒーレント照明の下でマーク計測を行うこと になる。本実施形態では、 σが有限であっても、実質的に、インコヒーレント結像と等 価な状態でのマーク位置計測を実現する。以下では、そのようなインコヒーレント結像 と等価な状態でマークの位置を計測する方法について具体的に説明する。
[0051] より具体的には、本実施形態では、 σ≥ 1と設定して、マーク計測を行う。以下に、 その理由について説明する。
[0052] まず、 σく 1に設定した場合について説明する。 σ < 1とした場合、ァライメント系 A Sで検出される画像信号に対応するウェハマーク Mの強度像の強度分布は、そのマ ークの性質 (例えば、明暗マーク又は段差マークの種別、段差マークである場合には その段差量、反射率及び非対称性）、及び Z又はァライメント系 ASの集光光学系の 収差 (例えば、コマ収差及び球面収差など）に大きく影響を受ける。
[0053] 図 3 (A)には、 σ < 1、コマ収差有、球面収差無と仮定し、ウェハマーク Μを明暗マ ークとしたときの、デフォーカスに対するマークの強度像の強度分布に含まれる各奇 数次の空間周波数成分の位相、すなわち各奇数次の空間周波数毎に計測されるゥ ェハマーク Μの計測位置の変動の様子が示されている。図 3 (A)には、フォーカス位 置に対する、 1次、 3次、 5次の 3つの空間周波数成分でのマーク計測位置の変動を 表す変動曲線が示されている。図 3 (A)の変動曲線に示されるように、ウェハマーク Μの計測位置は、すべての次数の空間周波数成分において、フォーカスの変動に 対して変動する。
[0054] ウェハマーク Μは、 0次光と奇数次回折光とを発生させるマークであり、奇数次の空 間周波数成分はその奇数次回折光と 0次光との 3光束干渉の成分となり、偶数次の 回折光による成分は含まれなくなる。この場合、各次数の空間周波数成分でのマー ク計測位置の変化は、デフォーカスによって緩やかに変化する正弦波的な変化とな る。そのマークシフトを表す変動曲線は、正負のデフォーカス量に対して対称な偶関 数となる。このことは、デフォーカス量の絶対値が既知であれば、その正負に関わら ず、この変動曲線から、デフォーカスによるマーク計測位置の位置ずれ量を求めるこ とができることを示している。
[0055] 各次数の空間周波数成分に対応する変動曲線は、次数毎にそれぞれ異なった変 動曲線となる力 各変動曲線の極値となるフォーカス位置 (各次数のベストフォーカス 位置）は全ての次数の空間周波数成分について一致するようになる。すなわち、 σ く 1で、ァライメント系 ASの集光光学系にコマ収差があっても、計測対象のマークが 明暗マークで、球面収差が 0であれば、すべての空間周波数成分で、ベストフォー力 ス位置は一致するようになる。
[0056] 図 3 (B)には、 σ < 1、コマ収差有、球面収差有と仮定し、ウェハマーク Μを明暗マ ークとしたときの、デフォーカスに対するマークの強度像に含まれる各次数の空間周 波数成分力 計測されるマーク計測位置の変動の様子が示されている。すなわち、 この場合には、図 3 (A)の場合に対して、球面収差が有る点のみが異なっている。図 3 (B)においても、図 3 (A)と同様に、個々の次数の変動曲線は、それぞれ異なった ものとなるが、図 3 (A)とは異なり、各変動曲線の極値となるフォーカス位置 (ベストフ オーカス位置)も次数毎にばらつく。し力も、この場合、各次数の変動曲線自体も、ァ ライメント系 ASの球面収差の収差量に応じて変化し、その極値でのマーク計測位置 及びフォーカス位置も変動する。したがって、デフォーカス量が既知であっても、球面 収差の経時変化などにより変動曲線自体が変化するので、デフォーカスによるマーク 計測位置の位置ずれ量を求めるのは困難である。
[0057] 図 3 (C)には、 σ < 1、コマ収差有、球面収差無と仮定し、ウェハマーク Μを段差マ ークとしたときの、デフォーカスに対するマークの強度像に含まれる各次数の空間周 波数成分力 計測されるマーク計測位置の変動の様子が示されている。すなわち、 この場合には、図 3 (A)の場合に対して、マークが段差マークとなっている点のみが 異なっている。 [0058] 図 3 (C)の場合においても、図 3 (B)と同様に、個々の次数の空間周波数成分にお いて計測されるマークの計測位置は、次数毎にそれぞれ異なった変動曲線となって 、各変動曲線の極値、すなわち各次数のベストフォーカス位置はばらつく。し力も、こ の場合、各次数の変動曲線自体も、段差マークの溝の深さなどに応じて変化し、そ の極値でのマーク計測位置及びフォーカス位置も変化する。したがって、デフォー力 ス量が既知であっても、段差マークの溝の深さなどに応じて変化し、変動曲線自体が 変化するので、デフォーカスによるマーク計測位置の位置ずれ量を求めることは困難 である。なお、マーク自体は対称なマークでその対称性は維持されたままで、段差の 上下の段差量、反射率、レジスト膜厚などが変化することによって発生するマーク計 測位置の位置ずれ量の変化を TISと呼んで!/、る。
[0059] なお、図 3 (A)〜図 3 (C)に示される変動曲線は、各コマ収差、球面収差の収差量 力 Sかなり大きい場合におけるものであり、収差量が小さい場合には、デフォーカスに よるマーク計測位置の変化量が小さくなり、この変動曲線は、水平な平行線に近づく ので、変動曲線の極値を求めるのが困難となる。この場合には、マーク計測位置と同 様に、各空間周波数成分の振幅も、デフォーカスに応じて変化し、その変動曲線も、 マーク計測位置の変動曲線の極値と同じ極値を示すようになるので、その振幅の変 化をよりどころにすれば、この振幅が極大となるフォーカス位置を検出することは可能 である。
[0060] 以上述べたように、コヒーレント照明（ σ =0)及び完全なインコヒーレント照明（ σ = ∞)以外、すなわち 0く σ < 1では、ァライメント系 ASの集光光学系におけるコマ収 差、球面収差などの収差とデフォーカスとの相互作用、又はマークの段差とデフォー カスとの相互作用によって、マークシフトが発生する。
[0061] 図 4 (A)に示されるように、 σく 1、段差マーク、コマ収差有、球面収差有という条件 では、各次数の空間周波数成分でのフォーカスーマーク位置変動曲線は、球面収 差の収差量及び Ζ又は段差マークの形状に応じて変動するが、図 4 (B)に示される ように、 σ≥1とした場合には、各変動曲線の極値は、球面収差の収差量及び段差 マークの形状などによらず一定となる。これは、各フォーカス位置での PSF (マークの 強度像分布）により計測されるマークの位置ずれが決定されることによる。そこで、本 実施形態では、 σ ≥1に設定した状態で、マークの位置を計測する。
[0062] 次に、 σ ≥1とした場合に、各変動曲線が安定する理由について説明する。
[0063] フリンジツェルニケ多項式の動径関数が奇関数である奇関数収差、例えばコマ収 差は、これにより、ウェハマーク Μの空間強度像に含まれる空間周波数成分の位相 が変化するので、マーク計測位置に対する影響は大きい。低次のコマ収差は、例え ば、フリンジツェル-ケ多項式における Ζ7、 Ζ8で表される。このような低次のコマ収 差は、集光光学系の状態に応じて、きわめて敏感に変化する。 Ζ7だけを考慮すると 、瞳関数 F( 6, r? )は次式のようになる。
[0064] [数 1]
Ρ(ξ,η) = Ζ7(ρ,ψ) = (3ρ3一 2ρ)οο8ψ ' . -(1) ここで、 ρ , φは、次式で示されるように瞳座標を示し、 Ζ7は、瞳上における光の位 相の遅れを示す。
[0065] [数 2]
Figure imgf000018_0001
ここで、物体のスペクトルを f，、 f"とすると、クロスモジュレーション係数 T(f， , f")は 、次式で定義される。
[0066] [数 3]
T(f',f") = \σ(ξ,Ά)¥(ΐ'+ξ,τ])Έ'(Γ+ξ, ])άξά ...(3) ここで、 F( ξ , η )は前述のとおり瞳関数である。また、 F*(f"+ ξ , r? )は、瞳関数 F (f"+ ξ , r? )の複素共役である。さらに、 σ ( ， 7? )は、有効光源である。ウェハマ ーク Μの強度像の結像を考える。ここでは、ウェハマーク Μの計測方向に関する 1次 元の複素振幅分布を、 ο(χ)とする。パーシャルコヒーレント照明によるウェハマーク Μの強度像は、次式で示される。
[0067] [数 4] I(x') = J J"T(f',f")0(f')0*(f")exp(27tix'(f'— f"))df'df" ---(4) ここで、 O ( ）は、物体の複素振幅 o (X)のフーリエスペクトルを示す。上記式 (4)は 、上記式（3)を用いて次式のように変形することができる。
[0068] [数 5]
Figure imgf000019_0001
ここで、ウェハマーク Mを回折格子マークとして、ウェハマーク Mからの 0次光及び 士 1次回折光のみ考慮し、それらの回折光によるウェハマーク Mの強度像 I (χ')と
0-1 すると、 I (χ')
0-1 は、次式のように示される。
[0069] [数 6]
Figure imgf000019_0002
このうち、 0次光と 1次回折光とによる 1次の空間周波数成分 (周波数 f )の位相と
1
振幅は以下の式（7)で示され、 0次光と +1次回折光とによる 1次の空間周波数成分 (周波数 f )の位相と振幅は以下の式 (8)で示される。
2
[数 7] ο,-i = 2c。c J G ,7i)Re|F(0 + ξ, , ^ + ξ,η)εΧρ(2πίχ'(— ί))}ΐξ(1η-·-(7) Φ0+1 = 2c0c_,* J G( )Re[F(0 + ξ,η)ο Ρ* +
Figure imgf000019_0003
まず、アパーチャ 47により σく 1に設定した場合について説明する。図 5(A)には、 σ < 1に設定したときの、集光光学系の瞳座標系における 0次光と 1次回折光との 光束ペアによる積分領域が斜線で示されている。この積分領域が、ペアとなる 0次光 と 1次回折光との位相差を示す部分になる。上記式 (7)は、周波数 fの間隔をなす
1
0次光と 1次回折光との光束ペアの瞳上の 2点の位相差による 2光束干渉によって 形成される周波数（一 f )の正弦波が、図 5 (A)で示される斜線部分で平均化されるこ
1
とを表している。図 5 (A)の斜線部分を、実際のァライメント系 ASの集光光学系の瞳 内で表現すると、図 5 (B)に示されるようになる。
[0071] 一方、図 5 (C)には、 σ < 1に設定したときの、瞳座標系における 0次光と + 1次回 折光との光束ペアによる積分領域が斜線で示されている。この積分領域が、ペアとな る 0次光と + 1次回折光との位相差を示す部分になる。図 5 (C)の斜線部分を、実際 の集光光学系の瞳内で表現すると、図 5 (D)に示されるようになる。
[0072] 図 5 (B)と図 5 (D)とを比較するとわ力るように、集光光学系の瞳上には、斜線部分 内の周波数間隔 fをなす 2点であって、 0次光と 1次回折光との光束ペアと、 0次光
1
と + 1次回折光との光束ペアが、通過する 2点が存在するようになる。この場合、 0次 光と 1次回折光との 2光束干渉による干渉縞の収差の影響による位相シフトと、 0次 光と + 1次回折光との 2光束干渉による干渉縞の収差の影響による位相シフトとは、 逆方向で、同じ大きさとなるため、それらの位相シフトは相殺され、マーク像の位置ず れ量は 0となる。
[0073] 例えば、 0次光の位相が ocだけ変化した場合、 0次光と 1次回折光との 2光束干 渉による正弦波は α Ζ2 πだけシフトする。しかし、 0次光と + 1次回折光との 2光束 干渉による正弦波は α Ζ2 πだけシフトする。
[0074] この場合、ウェハマーク Μの段差が変化して、瞳上の 方向に間隔 fをなす 2点 P I
1
、 P2を通過する 0次光と ± 1次回折光の位相差が変化した場合においてもマークの 位置ずれにならな 、と 、う特徴がある。
[0075] し力しながら、図 5 (B)と図 5 (D)とを比較するとわ力るように、集光光学系の瞳関数 F( 6 , r? )内の 0次光と 1次回折光とのペアの光束が通過する領域の形状（図 5 (B ) )と、 0次光と + 1次回折光とのペアの光束が通過する領域の形状とは同一形状とは ならない。これは、有効光源 G ( ξ , η )≠0となっている部分の大きさが、瞳関数 F ( ξ , η )≠0となっている部分の大きさより小さくなつているからである。このように、 0次 光と 1次回折光との光束ペアの領域の形状と、 0次光と + 1次回折光との光束ペア の領域の形状とが同一でない場合には、斜線部分内の周波数間隔 f
1をなす 2点を通 過する 0次光及び 1次回折光の光束ペアと、 0次光及び + 1次回折光の光束ペア と力 その領域内の全ての点において存在するようにはならず、段差変化による 0次 と 1次のペアの干渉縞を打ち消す 0次と + 1次のペアがないので、 0次と 1次の干 渉縞の横ずれが表面化する。すなわち、マーク段差量の変化でマークシフトが変化 するようになる。以上の理由から、 σく 1では、マークの強度像の結像位置力 マーク 段差量によって異なるようになる。すなわち、 TISが発生する。
[0076] 次に、 σ≥ 1に設定した場合にっ 、て考える。図 6 (Α)には、アパーチャ 47により σ ≥ 1に設定したときの、瞳座標系における 0次光と 1次回折光との光束ペアによる 積分領域が斜線で示されている。図 6 (A)の斜線部分を、実際のァライメント系 ASの 集光光学系の瞳内で表現すると、図 6 (B)に示されるようになる。
[0077] 一方、図 6 (C)には、アパーチャ 47により σ≥1に設定したときの、瞳座標系におけ る 0次光と + 1次回折光との光束ペアによる積分領域が斜線で示されている。図 6 (C )の斜線部分を、実際のァライメント系 ASの集光光学系の瞳内で表現すると、図 6 (D )に示されるようになる。
[0078] 図 6 (B)と図 6 (D)とを比較するとわ力るように、 σ≥ 1に設定されて!、るので、有効 光源 G( , r? )≠0となっている部分の大きさは、瞳関数 F( , r? )≠0となっている 部分の大きさより大きくなつている。これにより、ァライメント系 ASの集光光学系の瞳 関数 F( , r? )内において、図 6 (B)に示される 0次光と 1次回折光とのペアの光 束が通過する領域の形状と、図 6 (D)に示される 0次光と + 1次回折光とのペアの光 束が通過する領域の形状とは、同一形状となる。両者が同一形状となると、斜線部分 内の周波数間隔 fをなす 2点を通過する 0次光と 1次回折光との光束ペアと、 0次
1
光と + 1次回折光との光束ペアが、領域内の全ての点において存在するようになる。 このようになれば、同じ 2点を通過する光束ペアによる位置ずれが打ち消しあって、マ ークの位置ずれが打ち消し合うようになる。
[0079] 上述した考えは、 m (mは、 1以上の整数)次回折光に拡張することができる。すな わち、 σ≥1であれば、瞳内の同一の 2点を通過する 0次光と m次回折光の光束べ ァと、 0次光と +m次回折光との光束ペアとが、全ての 2点において存在するようにな る。
[0080] し力しながら、ウェハマーク Mが、偶数次の回折光を含む無限大の高調波を含む 場合には、すべての空間周波数成分に対してインコヒーレント結像状態を実現する には、 σ =∞にする必要がある力 実際には、 σ =∞とするのは困難である。そこで 、本実施形態では、ウェハマーク Μとして、奇数次回折光のみを発生するマークを用 いる。
[0081] 本実施形態では、この物体 (マーク構造体)たるウェハマーク Μとして、ピッチに対 して掘り込み部分の線幅が狭い、一般に細溝マークといわれる周期的な凹凸パター ンを有する回折格子状のマークを採用する。細溝マークは、 CMPプロセスに対して 変形しにくぐ計測方向におけるマークの対称性が維持されるため、その位置を計測 するのに有利である。図 7には、ウェハマーク Μの断面図が示されている。
[0082] 図 7に示されるように、マークの細溝の太さは W、細溝の隣り合う間隔は P、細溝の 断続周期は 6Pとなっている。各細溝の幅 Wは、 Pよりも小さく（P>W)なるように設定 されている。また、振幅分布は細溝 Wの部分の振幅反射率を 1とし、その他の振幅反 射率も 1とする。さらに、段差を hとする。このマークを複素関数表示したものが図 8の Dnである。同図において Reは実数成分を示し、 Imは虚数成分を示す。ここで座標 0 における Re Im平面に平行な Re ' -Im'平面によるマーク Dnの断面図を図 9に示 す。細溝以外の部分の振幅はベクトル ocで示され、その大きさは 1である。細溝部分 の振幅はベクトル oaで示され、その大きさは 1である。ベクトル ocとベクトル oaのなす 角 Φは溝の深さを hとし、照明光の波長をえ（ブロードバンドの場合は平均波長と考 える）とすると、落射照明では反射により光路長が 2倍となるので 2hZ * 2 π = Φと なる。
[0083] さて、このマークの複素振幅分布 Dnは直流成分 Dcと、交流成分 Acに分離して考 えることができる。この場合の交流成分 Acは、図 9のベクトル acに平行な振幅の成分 で表されるもので、図 10のように示される。直流成分は、図 9のベクトル ocに平行な 成分で、図 11に示されている。複素振幅分布 Dnによって発生する回折光を考える 場合、直流成分 Dcと交流成分 Acを分けて考えることが有効である。直流成分 Dcは 0次回折光を発生するのみである。一方、交流成分 Acは、図 12、図 13、図 14に示さ れるように、周期的な振幅分布 B、 Cの掛け算の結果と捉えることができる。また、振 幅分布 B, Cをフーリエ変換することにより図 15、図 16に示されるように、振幅分布 B 、 Cのそれぞれのフーリエスペクトルが求まる。振幅分布 Bは周期 6Pのよく知られてい る矩形波であり、フーリエ変換によって得られるスペクトルは 0次成分のほかは奇数次 のスペクトルのみとなる。奇数次のスペクトルは ± 1/6P、 ±3Z6P、 ±5Z6P、 ±7 Z6P、…に離散的に発生する。
[0084] 振幅分布 Acのフーリエスペクトルはこれらのコンボリューシヨンになり、図 17のような 離散的なフーリエスペクトルとなる。 6次回折光から + 6次回折光の間の回折光は 奇数次回折光のみが発生することになる。この最低次数の偶数次回折光、すなわち ±6次回折光は、 λ ZP> (NA+NAi)の関係を満たすことによって、それが、対物
0
レンズに入射することを阻止することができる。したがって、結像には奇数次回折光と 直流成分のみが寄与し、偶数次の回折光の影響を受けずにマークの空間像を計測 することがでさること〖こなる。
[0085] 図 17に示されるように、ウェハマーク Mの振幅分布のスペクトルでは、空間周波数 0、 ± 1/6P、 ±3Z6P、 ±5Z6P、 ±6/6Pにおいてそのピークが出現しているが 、空間周波数 ±2Z6P、 ±4Z6Pについては、いずれも 0となっている。すなわち、こ のウェハマーク Mの振幅分布には、直流成分、基本周期 Pに対応する 6次以下の成 分では、 1次成分、 3次成分、 5次成分、 6次成分だけが含まれており、 2次、 4次とい う、 6次より小さ 、偶数次の空間周波数成分は 0となって 、る。
[0086] 図 17の空間周波数スペクトルから、ウェハマーク Mからの各次の回折光の強度を 読み取ることができる。すなわち、ウェハマーク M力も発生する回折光は、 0次回折光 の他は、 ±6次回折光以下では、 ± 1次回折光、 ±3次回折光、 ±5次回折光、 ±6 次回折光であり、 2次、 4次等の 6次より小さい偶数次の回折光は、発生していない。
[0087] また、本実施形態に係るァライメント系 ASでは、その照明光学系（コンデンサレンズ 44、第 1対物レンズ 48)の開口数 (NAiとする）と、集光光学系（第 1対物レンズ 48、 第 2対物レンズ 58)の開口数 (NAとする）とを、次のように規定して!/、る。 [0088] λ /Ρ> (ΝΑ+ΝΑί) · ·· (9)
ο
ここで、例えば、 NA=0. 5であり、 NAi=0. 5である。 λ は、前述のとおり、照明
0
光の最短の波長である。これにより、ァライメント系 ASの集光光学系に入射する回折 光は、 0次光と、基本周期 Pに対応する ± 1次、 ±3次、 ±5次の回折光のみとなり、 基本周期 Pに対応する ±6次の回折光は、最短の波長のものであっても、第 1対物レ ンズ 48には入射しなくなる。したがって、撮像素子 60の撮像面上に実際に結像する ウェハマーク Mの空間周波数分布 (スペクトル）における 6次成分は 0となる。
[0089] ウェハマーク Mについては、図 7に示されるような断面形状の他、図 18に示される ような断面形状を採用することができる。図 18に示されるウェハマーク Mには、周期 的に 4Pの間隔で、 2本の細溝の組が形成されている点が、図 7に示されるマークと異 なっている。このマークも、周期が異なる 2つの矩形波を合成した形状となっており、 その 2つの周期の比は偶数比（1 :4)となっている。このマークの空間周波数分布 (ス ベクトル)も、 2つの矩形波の空間周波数分布 (スペクトル）のコンボリューシヨンとなり 、そのスペクトルでは、空間周波数 0、 ± 1Z6P、 ±3Z6P、 ±4Z6Pにおいてその ピークが出現する力 空間周波数 ±2Z6Pでは 0となっている。また、前述のように、 λ ZP> (NA+NAi)の関係があるため、ァライメント系 ASの集光光学系に入射す
0
る回折光は、 0次光と、基本周期 Pに対応する ± 1次、 ±3次の回折光のみとなり、基 本周期 Pに対応する ±4次の回折光は、最短の波長のものであっても、第 1対物レン ズ 48には入射しなくなる。したがって、撮像素子 60の撮像面に結像するウェハマー ク Mの結像に寄与する回折光は、 0次光と、奇数次の回折光のみとなる。
[0090] 図 7、図 18に示される断面形状は、図 19に示されるウェハマークの断面形状に一 般ィ匕される。図 19に示されるように、この断面形状では、周期的に nP (nは正の整数 )の間隔で、 n本の細溝の組が形成されている。その組内において隣接する細溝の 間隔は Pとなっている。各細溝の幅 Wは、 Pよりも小さく（P>W)なるように設定されて いる。このような形状及びァライメント系 ASの各光学系の開口数との関係などから、 撮像素子 60の撮像面のマークの強度像の結像に寄与する回折光は、 0次光と、 (2n 1)次までの奇数次の回折光のみとなる。なお、 nは、ウェハ内、ウェハ間における マークの強度像に含まれる空間周波数成分のランダム誤差 ( 、わゆるプロセスノイズ )を評価量として決定される。
[0091] 図 19で一般ィ匕されるウェハマーク Mは、ァライメント系 ASに対して、入射光に対す る奇数次数の回折光の強度よりも偶数次数の回折光の強度を弱める周期構造を有 するマークとなっている。
[0092] <露光動作 >
次に、露光装置 100の処理動作 (露光動作）について説明する。
[0093] まず、ァライメント系 ASにおけるマーク位置計測の準備処理について説明する。図 20には、この準備処理のフローチャートが示されている。図 20に示されるように、ま ず、ステップ 501において、ウェハステージ WSTを XY平面内で駆動し、基準マーク 板 FM上の基準マークを、ァライメント系 ASの検出視野の中心に位置させる。なお、 ここで、色フィルタ 50の調整により、基準マークからの 0次光の強度が大きくなるように 調整しても良い。次のステップ 503では、ウェハステージ WSTを、 Z軸方向に、低速 で、所定間隔 (例えば 10 m)移動させつつ、所定のシャツタ速度で、ァライメント系 ASにより、検出視野内の基準マークの強度像を含む画像サンプルデータを取得す る。これにより、複数の異なる Z位置での、画像サンプルデータが取得される。なお、 仮に、コマ収差 Z7 = 50mえ、球面収差 Z9 = 50mえというような大きさの収差を、集 光光学系が有していたとしても、 ± 2 mのフォーカスの範囲内に極値は 1つしか存 在しないので、ウェハステージ WSTを移動させる範囲は、 ± 2 /ζ πιで良い。なお、シ ミュレーシヨンによれば、 13ステップ程度のフォーカスステップの画像を取得すること が望ましい。
[0094] そして、次のステップ 505では、画像サンプルデータから、基準マークの強度像に 含まれる奇数次の空間周波数成分を抽出する。次のステップ 507では、各奇数次の 空間周波数成分の振幅と位相とを抽出する。次のステップ 509では、各奇数次の空 間周波数成分の変動曲線を、例えば最小二乗法などを用いた関数フィッティングに より作成する。図 21 (A)には、このようにして作成された 1次、 3次、 5次、 7次の空間 周波数成分の変動曲線の一例が示されている。次のステップ 511では、作成した変 動曲線において極値を検出可能であるか否かを判断する。例えば、図 21 (C)に示さ れるような変動曲線が作成された場合には、それらの極値を検出するのは困難であ るため、この判断は否定される。この判断が肯定されればステップ 513に進み、否定 されればステップ 515に進む。
[0095] ステップ 513では、各次数の空間周波数成分に対応するフォーカスーマーク計測 位置の変動曲線のオフセット量を保存する。図 21 (A)に示される 1次、 3次、 5次、 7 次の変動曲線では、それぞれ Bl、 B3、 B5、 B7がオフセット量として保存されるように なる。
[0096] 一方、ステップ 515では、図 21 (B)に示されるような、各奇数次の空間周波数成分 の振幅とフォーカスとの関係を示す、フォーカスー振幅変動曲線を作成する。そして 、次のステップ 517では、各次数の空間周波数成分のフォーカスー振幅変動曲線の 極値となるフォーカス位置を算出する。図 21 (B)に示される 1次、 3次、 5次、 7次の変 動曲線では、それぞれフォーカス位置 Fol、 Fo3、 Fo5、 Fo7が選択されることになる
[0097] 次のステップ 519では、各次数の極値のオフセット量を保存する。図 21 (C)に示さ れる変動曲線では、フォーカス位置 Fol、 Fo3、 Fo5、 Fo7におけるオフセット量 Bl、
B3、 B5、 B7力示されて!/ヽる。
[0098] ステップ 513、ステップ 519の後は、処理を終了する。以上の準備処理により、各次 数の空間周波数成分におけるベストフォーカス位置でのマーク計測位置のオフセット 量が求められたことになる。
[0099] 次に、露光装置 100における露光動作について説明する。なお、レチクルステージ
RST上にレチクル Rがすでにロードされ、レチクルァライメント、ベースライン計測等 の所定の準備作業が完了しているものとする。
[0100] 露光装置 100では、まず、ウェハステージ WST上に露光対象となるウェハ Wを口 ードする。このウェハ Wは、すでに一層以上のショット領域が形成されたウェハである
。そのショット領域には、上記周期構造を有するサーチァライメントマーク、ウェハマ ーク Mが付設されている。
[0101] 続いて、主制御装置 20は、ステージ制御装置 19を介して、ウェハ Wを吸着保持し たウェハステージ WSTを、ァライメント系 ASの下方に移動させ、サーチァライメント 及びウェハァライメントを行う。このサーチァライメント及びファインウェハァライメント（ 例えば EGA方式のァライメント）の処理は、例えば、特開昭 61— 44429号公報及び これに対応する米国特許第 4, 780, 617号明細書等に開示されている。このサーチ ァライメント及びウェハァライメントでは、ァライメント系 ASを用いて、ウェハ W上に形 成された各種ァライメントマークの XY座標系における位置情報を計測する。この計 測のために、主制御装置 20は、そのマークが付設された複数のショット領域 (サンプ ルショット）を、ァライメント系 ASの下方に位置させるベぐステージ制御装置 19を介 して、ウェハステージ WSTを、順次移動させる。図 22には、このマーク位置計測処 理のフローチャートが示されて 、る。
ステップ 601〜ステップ 611の処理は、ステップ 501〜ステップ 511の処理と同じで ある。すなわち、ウェハマーク Mをァライメント系 ASの検出視野の中心に位置させ（ ステップ 601)、ウェハステージ WSTを Z軸方向に一定の速度で移動させ、所定のシ ャッタ速度で画像サンプルデータを取得し (ステップ 603)、各奇数次の空間周波数 成分を抽出して (ステップ 605)、その振幅と位相を抽出し (ステップ 607)、フォーカス —マーク位置変動曲線を作成し (ステップ 609)、その変動曲線の極値が検出可能で あるか否かを判断する（ステップ 611)。なお、ウェハマーク Mを含むウェハ Wの表面 で反射又は回折された光は、第 1対物レンズ 48及び第 2対物レンズ 58等を介して撮 像素子 60で受光される。撮像素子 60は、一定のサンプリング間隔で、撮像面に結像 したウェハマーク Mの強度像を電気信号に変換し、その信号を、画像信号 (画像サ ンプルデータ）として、画像処理系 62に順次、出力する。なお、ここでも、フォーカス を ± 2 /ζ πι振りながら、ウェハマーク Μの位置を各次数毎に計測することで、簡単に 極値を見つけ出すことができる。ウェハ Wの厚さのばらつき、平坦度のばらつきを考 えても、フォーカスを ± 5 /z mほど振れば、その極値を捉えることが可能である。なお 、ステップ 601〜611、ステップ 501〜511に先立って最も信号振幅の大きい R, O, Gのフィルタを選択し、これによつて各次数のオフセット量を求め、ウェハ Wのマーク 位置を計測すれば、より高精度にかつ収差の影響を受けずに計測できる。市販の顕 微鏡レベル (RMS収差 = 50m λ )程度の対物レンズを用いることが可能となる。一度 、 Ο, R, Gでオフセットを計測し、白色に切り替えてもそのオフセットを管理することで 白色での計測も可能となる。 [0103] ステップ 611における判断が肯定された場合には、ステップ 613において、各奇数 次の空間周波数成分の極値におけるマーク位置を算出する。一方、ステップ 611に おける判断が否定された場合には、ステップ 615にお 、てフォーカス 振幅変動曲 線を作成し、ステップ 617において各次数の極値を算出し、ステップ 619において各 次数のマーク位置を算出する。これらステップ 611、 613、 615〜619の処理も、図 2 0のステップ 511、 513、 515〜619の処理と同じである。
[0104] ステップ 613、ステップ 619の後のステップ 621では、各次数の空間周波数成分の 変動曲線から求められたマーク位置から、オフセット量 Bl、 B3、 B5、 B7を差し引い て、各次数の空間周波数成分のマーク位置を求める。図 23に示される変動曲線で は、それぞれ Al、 A3、 A5、 A7が各次数のマーク位置として示されている。これらの マーク位置を用いて、上述のようにして、最終的なマーク位置が算出される。
[0105] 画像処理系 62で算出された、ァライメント系 ASの撮像視野内におけるマーク位置 情報は、主制御装置 20に送られる。主制御装置 20は、このマーク位置情報と、ステ ージ制御装置 19を介して干渉計 18から得られるウェハステージ WSTの位置情報と に基づいて、 XY座標系におけるウェハマーク Mの位置座標を算出する。
[0106] ウェハァライメントでは、主制御装置 20は、このようにァライメント系 ASにより計測さ れたウェハマーク Mの位置情報で、例えば、特開昭 61— 44429号公報及びこれに 対応する米国特許第 4, 780, 617号明細書に示されるように、ウェハ W上の配列座 標系を統計的に算出する。そして、その配列座標系に基づいてショット領域上にステ ップ'アンド'スキャン方式の露光を行う。これにより、ウェハ W上に既に形成されたシ ヨット領域に対して、高精度な重ね合わせ露光が実現される。
[0107] 以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、ァライメント系 ASの集光光学系 の開口数に対する照明光学系の開口数の比率力 ^以上に設定されたインコヒーレン ト状態でマークを計測し、かつ、ノイズ成分の要因となる偶数次の回折光が低減され たマークの強度像データに基づいてマークの位置情報を検出するので、ァライメント 系 ASの集光光学系が有する収差とデフォーカスとの複合作用、又は、マークの個体 差とデフォーカスとの複合作用によるマーク位置の計測誤差の変動が低減される。こ の結果、マークの位置の計測精度が向上する。 [0108] すなわち、本実施形態によれば、有限の σでインコヒーレント結像状態が実現され る。
[0109] また、本実施形態によれば、ウェハマーク Μの位置計測に先立って、ァライメント系 ASの集光光学系に対する基準マーク板 FM上の基準マークのフォーカスに関連す る位置誤差情報（図 21 (A)に示されるような、フォーカス—マーク位置の変動曲線か ら得られるオフセット量 Bl、 B3、 B5、 B7)を取得し、ウェハマーク Mの位置計測では 、その計測が行われたときの位置誤差 (オフセット量 Bl、 B3、 B5、 B7)をマーク計測 位置に反映する。このようにすれば、ァライメント系 ASの集光光学系が有する収差と デフォーカスとの複合作用、又は、ウェハマーク Mの個体差とデフォーカスとの複合 作用による、ウェハマーク Mの強度像における位置ずれ量を予め取得し、ウェハマ ーク計測時には、それを除去するだけなので、短時間で高精度にマークの位置情報 を計測することが可能となる。
[0110] また、本実施形態によれば、オフセット量を取得するため、複数の異なるフォーカス 位置各々で、基準マークの位置を計測し、基準マークの計測位置に基づいて、フォ 一カス位置に関連するマークの位置誤差情報 (オフセット量)を取得する。このように すれば、別途オートフォーカス機構を用意しなくても、ベストフォーカス位置でのマー ク位置の計測結果を得ることが可能となる。また、オートフォーカス機構が不要となる ので、ァライメント系 ASの小型化、低コストィ匕が可能となる。さらに、複数の異なるフォ 一カス位置での位置計測結果を利用しているので、平均化効果により、マークの位 置情報の計測精度を向上させることができる。
[0111] もっとも、ァライメント系 ASにフォーカス調整機構を設け、一定のフォーカス位置（ すなわちベストフォーカス位置)でマークの位置情報を計測するようにしても良 ヽこと は勿論である。
[0112] 本実施形態では、フォーカス位置を常に変化させながら、任意のサンプリング間隔 で、基準マーク又はウェハマーク Mの位置情報を検出する。このようにすれば、複数 の異なるフォーカス位置でそれらのマークの位置情報を検出する際に、投影光学系 PLに対してウェハ Wをー且位置決めしてマークを計測する必要がなくなるので、マ ークの計測時間を短縮することが可能となる。 [0113] もっとも、複数のフォーカス位置にウェハマーク M又は基準マークを位置決めしつ つ、ウェハステージ WSTを静止させた状態で、ウェハマーク M又は基準マークの計 測を行うようにしても良 ヽのは勿論である。
[0114] より具体的には、取得された基準マークの計測位置に基づいて、フォーカス位置の 変動に対する基準マークの計測位置の変動を表すフォーカスー位置変動曲線を作 成する。そして、その位置の変動曲線の極値における基準マークの変動曲線の値を 、オフセット量として取得し、その極値に対応するフォーカス位置での強度像の画像 サンプルデータに基づいて基準マークの位置情報を検出する。
[0115] また、本実施形態では、フォーカス位置の変動に対する各奇数次の空間周波数成 分の振幅の変動を表す振幅変動曲線も作成し、その振幅変動曲線の極値となるフォ 一カス位置での強度像データに基づく基準マークの位置ずれ量を、オフセット量とし て取得する。このようにすれば、フォーカスーマーク位置の変動曲線での極値の検出 が困難な場合でも、振幅変動曲線の極値を手がかりに、次数毎のベストフォーカス位 置を、容易に検出することができる。
[0116] また、本実施形態によれば、基準マークの強度像に含まれる空間周波数の次数毎 に、オフセット量を取得し、次数毎に基準マークの位置情報を検出し、その検出の際 に、次数に応じたオフセット量をマークの計測位置に反映する。
[0117] また、本実施形態によれば、各次数で検出されたマークの計測位置の重み付け平 均値 (重み 0の場合を含む）をもってマークの計測位置とする。このようにすれば、安 定した次数でのマークの計測位置に基づいて、正確にその位置を求めることが可能 となる。
[0118] また、本実施形態によれば、基準マークを、ァライメント系 ASの集光光学系の視野 内の所定の基準位置、例えば集光光学系の視野中心に位置決めし、位置決めされ た基準マークの計測位置の基準位置からの位置ずれ量に基づ 、て、オフセット量を 取得する。このようにすれば、実測結果に基づいて、集光光学系の収差のマーク計 測位置への影響を低減することができる。
[0119] もっとも、ァライメント系 ASの集光光学系の視野中心でなくてもよぐ視野内の特定 の位置であれば良い。例えば、ベースライン及びウェハマーク Mの設計上の位置座 標に基づいて、ウェハマーク Mをァライメント系 ASの視野内に位置決めした場合に は、ウェハマーク Mは、基準マークが計測されたときのその基準マークの位置に配置 されるようになるので、この場合には、視野内における基準マークの位置が基準位置 となる。このようにすれば、基準マークも、ウェハマーク Mも同じ収差状態の下で計測 されるようになるので、集光光学系の収差によるマーク位置に対する収差の影響が低 減する。
[0120] しかしながら、ウェハ Wのプロセス起因の変形により、ァライメント系 ASの視野内の 基準マークの位置と、ウェハマークの位置とが異なることも起こりうる。このような場合 には、複数の設計ベースラインを用いて視野内の複数の点でベースライン計測を行 い、視野内の X, Yを独立変数とするベースラインの関数を作成し、視野内のウェハ マーク Mの XY位置をその関数に代入したときのその関数の値をベースラインとして 用いるようにしても良い。
[0121] 複数のァライメント系におけるベースライン計測は、干渉計基準で、単一の基準マ ークを用いて行っても良いし、同時に複数のァライメント系のベースライン計測を行え るように、大きなフィデューシャルマークを用いて、一括で行っても良い。大きなフイデ ユーシャルマークを使う場合、様々なショットサイズに対応するため、一面に 2次元又 は 1次元グレーティングマークが形成されたフイデユーシャルマークを採用することが できる。その際、バーニアマークを配置して、粗い精度でも計測できるようにしても良 い。
[0122] また、本実施形態によれば、オフセット量が取得されたフォーカス位置での強度像 データに基づいて、マーク位置を計測する。すなわち、ベストフォーカス位置ではな いが、位置計測が行われたフォーカス位置に対応するオフセット量を変動曲線から 求め、そのオフセット量を計測位置に反映するようにしても良 、。
[0123] また、本実施形態によれば、ウェハ W上に形成されたウェハマーク Mを、光源 42か らの照明光の反射光である奇数次数の回折光の強度よりも偶数次数の回折光の強 度を弱めるマークとしている。このため、ウェハマーク Mの空間強度像の奇数次の空 間周波数成分を精度良く検出することができる。この結果、ウェハマーク Mの位置情 報の計測誤差が低減されるようになる。 [0124] また、本実施形態によれば、このウェハマーク Mの周期構造は、周期 Pを基本周期 とする空間周波数成分と、周期 Pの偶数倍の 2nPを基本周期とする空間周波数成分 とを含んでいる。このようにウェハマーク Mの断面形状に含まれる 2つの異なる基本 周波数成分の周期の比を偶数比とすれば、ウェハマーク Mのデューティ比が 1対 1で なかったとしても、 2次などの低次の偶数次高調波成分の強度を低減することが可能 となる。
[0125] 特に、本実施形態におけるウェハマーク Mの周期構造では、周期 Pを基本周期とし 、その周期方向の全長が nPである周期的な凹凸パターンが、周期 2npの間隔で設 けられており、凹凸パターンの凹部の周期方向の幅 Wは、周期 Pの半分よりも短くな るように設定されている。このような構造であれば、このウェハマーク Mの光学像には 、互いの関係が偶数比となる 2つの基本周波数成分が確実に含まれるようになる。ま た、凹部の周期方向の幅 Wは、周期 Pの半分よりも短くすればよぐ計測されるマーク 位置は、凹部の幅に影響を受けなくなる。これにより、ウェハマーク Mの設計自由度 が増す。この結果、マークのピッチをさらに細かなものとすることができるようになり、 高精度な位置合わせが可能となる。
[0126] また、本実施形態によれば、ァライメント系 ASは、ウェハマーク Mに対し所定の照 明光を照明する照明光学系の開口数 NAiと、ウェハマーク Mを経由した照明光を導 いて、そのウェハマーク Mの強度像を結像させる集光光学系の開口数 NAとの和（N Ai+NA)が、照明光の波長を周期 Pで除算した値よりも小さくなるように設定されて いる。このようにすれば、高次の偶数次回折光が、ァライメント系 ASの集光光学系に 入射しなくなり、その高次の偶数次回折光がそのマークの強度像の結像に寄与しな くなる。
[0127] より詳しくは、本実施形態によれば、ァライメント系 ASにおける照明光は、所定の波 長帯域を有するブロードバンドな光であり、ァライメント系 ASの照明光学系の開口数 NAiとその集光光学系の開口数 NAとの和（NAi+NA)力 照明光の最短の波長 λ を周期 Ρで除算した値よりも小さくなるように設定されている。すなわち、照明光の最
0
短波長え〜 λの光の高次の偶数次回折光はすべて、ァライメント系 ASの集光光
0 1
学系に入射しなくなるので、高次の偶数次の回折光が集光光学系に完全に入射しな くなる。
[0128] また、本実施形態に係るァライメント系 ASは、ブロードバンドな照明光でウェハマー クを照明する照明光学系と、ウェハマーク Mを経由した照明光を導いてウェハマーク Mの強度像を結像させる集光光学系（第 1対物レンズ 48と第 2対物レンズ 58)と、そ の強度像を光電検出する撮像素子 60と、検出された強度像に相当する信号をフーリ ェ変換し、その信号のフーリエスペクトルの奇数次高調波成分に基づいて、ウェハマ ーク Mの位置情報を計測する画像処理系 62とを備えている。すなわち、ブロードバ ンドな照明光を用いて、振幅が大きい奇数次高調波成分に基づいてウェハマーク M のマーク位置を計測するので、膜の干渉に関わらず、かつ、 SZN比が高い状態で マーク位置を精度良く計測することが可能となる。
[0129] また、本実施形態では、画像処理系 62は、ァライメント系 ASの集光光学系（第 1対 物レンズ 48、第 2対物レンズ 58)の色収差によるウェハマーク Mの強度像の位置ず れデータに基づいて、ウェハマーク Mの位置情報を補正するので、ァライメント系 AS の集光光学系の色収差に関わらず、マーク位置を精度良く計測することができる。
[0130] この場合、本実施形態では、画像処理系 62は、ウェハマーク Mの位置情報の補正 の際に、ウェハマーク Mの位置情報を計測するための奇数次高調波成分の次数に 応じて異なる色収差によるマーク像の位置ずれデータを用いる。各次数の回折光が 通過する集光光学系（第 1対物レンズ 48、第 2対物レンズ 58)の瞳面内の通過位置 が異なるため、各次数ごとに色収差を求めておく必要があるのである。
[0131] この色収差補正を実現するため、ァライメント系 ASは、ウェハマーク Mの分光反射 率特性を計測する分光計 59をさらに備えている。画像処理系 62は、この分光計 59 によって測定されたウェハマーク Mの照明光の波長に対する分光反射率特性に基 づ 、て、ァライメント ASの集光光学系の色収差に関するマーク位置ずれデータを算 出する。そして、算出された集光光学系の色収差によるウェハマーク Mの位置ずれ データに基づいて、ウェハマーク Mの計測位置を補正している。このようにすれば、 実測された分光反射率特性に基づ!/、て、正確な色収差の補正が可能となる。
[0132] また、ァライメント系 ASは、ウェハマーク Mの強度像の結像に寄与する回折光の波 長を調整可能な色フィルタ 50をさらに備えている。色フィルタ 50は、分光計 59にお けるウェハマーク Mの分光反射率特性とウェハマーク Mの強度像の位置ずれとの関 係を求める際に用いられる。このように色フィルタ 50を用いれば、照明光の波長とマ 一クの横ずれとの関係、すなわち色収差による位置ずれを精度良く求めることができ る。
[0133] また、本実施形態によれば、ァライメント系 ASはウェハマーク Mからの回折光のう ち、 0次光と奇数次数の回折光とを導いて、ウェハマーク Mの強度像を結像させ、そ の強度像を光電検出し、検出された強度像に相当する画像信号をフーリエ変換し、 そのフーリエスペクトルの奇数次高調波成分に基づ 、て、ウェハマーク Mの位置を 計測する。これにより、偶数次の回折光と奇数次の回折光とのビートが、奇数次の空 間周波数成分としてマーク像に含まれなくなるので、マーク位置を精度良く計測する ことができる。
[0134] 上記実施形態に係るァライメント系 ASでは、国際公開第 98Z39689号パンフレツ トで公開されたァライメントセンサのように、集光光学系の瞳共役位置で干渉信号を 取り出しておらず、マーク像の空間で色消しされたウェハマーク Mの像をフーリエ変 換している。これにより、上記実施形態に係るァライメント系 ASでは、ブロードバンド の波長域を有する光源を利用することができ、スペックルなどの光学的なノイズの発 生に関わりなぐマーク位置を高精度に計測することができる。
[0135] なお、上記実施形態のウェハマーク Mは、様々な変形が可能である。以下、その変 形例について幾つ力説明する。
[0136] 例えば、図 24に示されるような、細溝マークを採用することができる。このマークは、 1周期内の細溝が 1本となっている。このマークは、 2Pが基本周期となっている。この マークからは、 0次光及び奇数次の回折光に加え、 ± 2次回折光も発生するようにな る力 ァライメント系 ASにおける照明光学系の開口数 NAiと集光光学系の開口数 N Aとの和 (NAi+NA)と、照明光の最短波長えと、基本周期 Pとの関係力 上記実施
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形態と同じになるため、 ± 2次回折光は、ァライメント系 ASの集光光学系に入射しな くなる。この結果、撮像素子 60上に結像するウェハマーク Mの空間強度像に寄与す るのは、 0次光と ± 1次回折光のみとなり、上記実施形態と同様に、 0次光と、 ± 1次 の回折光とによる強度像の基本周波数成分力 マーク位置を検出することができるよ うになる。
[0137] 図 25には、上述したマークとは異なり、デューティが 1対 1のままで、細溝化された マークの一例が示されている。図 25は、マークを上から見たときの図であり、その計 測方向は X軸方向となっている。図 25では、マークの凹部 (溝部）がグレイ表示され ている。このマークでは、計測方向に関する明部と暗部とのデューティ比は 1対 1とな つている。また、このマークでは、その凹部では、非計測方向（計測方向に直交する 方向、ここでは Y軸方向）に関しても、凹凸パターンが形成されている。また、非計測 方向に関するその凹凸のデューティ比は 1対 1となっている。計測方向では、このマ ークのデューティ比は 1対 1に保たれているので、そのマーク力 発せられる回折光 は奇数次のみとなり、上記実施形態と同様に、奇数次の空間周波数成分を用いて、 マーク位置を精度良く計測することができる。また、マークは、非計測方向に細溝ィ匕 されているため、 CMPプロセスに対して変形しにくい構造となり、計測方向における マークの対称性が維持される。このようなマークを採用すれば、マーク位置を高精度 に計測することができる。
[0138] 図 26には、さらなるマークの変形例が示されている。このマークは、図 26に示され るマークよりも、非計測方向の凹部が細溝ィ匕されている。このようなマークを採用すれ ば、 CMPプロセスによるマーク変形がさらに抑制され、マークの対称性が維持される ようになる。
[0139] このように対称性が維持されるようなマークでは、ァライメント系 ASのベストフォー力 ス位置からのウェハ面がデフォーカスによって、そのマーク像が横ずれしなくなるた め、デフォーカスによるマーク検出位置の誤差も低減することができる。
[0140] また、上記実施形態では、 σ≥ 1に設定したために、凹部の深さについては、任意 の深さとすることができる。これにより、マークの設計自由度が向上する。また、ウェハ マーク Μを、凸部に対して凹部が狭くなつているマークとした力 凹部に対して凸部 の狭くなつて 、るマークであっても良 、。
[0141] なお、色フィルタ 50の配置位置は、ハーフミラーと、集光レンズとの間であっても良 い。色収差が無視できる程度に小さい場合には、色フィルタ 50及び分光計 59を備え ていなくても良い。このように、ァライメント系 ASの構成は様々な変形が可能である。 また、ァライメント系 ASの照明光の波長も、レジストが感光する波長以外であれば、 任意でよぐハロゲンランプ以外のランプであっても良いことは勿論である。更に、単 波長の照明光を射出する光源を複数用いて、広帯域の波長幅を有する照明光を形 成するようにしてちょい。
[0142] なお、上記実施形態では、凹凸パターンのマークについて説明したが、明部と暗部 とが上記実施形態の凸部と凹部と同様に配置形成された明暗マークであっても良い 。この他、マークとしては、有限の高調波を発生するマークを採用することができる。 例えば、正弦波の振幅分布を有するマーク、正弦波状の位相分布を有するマーク、 指数関数的な振幅分布を有するマークを採用することができる。
[0143] デューティ比が 1対 1のマークであっても良い。このようなマークでも、 0次光と奇数 次の回折光のみが発生するからである。し力しながら、デューティ比が 1対 1で、マー クの反射率が一定の段差マークであった場合には、 σ≥1である場合、 0次光の強度 が総じて弱くなり、マークの強度像コントラストが著しく低下するおそれがある。この点 、上記実施形態のような細溝マークは、デューティ比が異なるため、 0次光が消失す ることなく、高コントラストで、マークの強度像を検出することが可能である。
[0144] また、本実施形態では、ァライメント系 ASは、所定の波長帯域（ λ 〜え ）を有する
0 1 照明光を採用したが、ウェハマークに応じて、マーク計測精度が最も良好な波長の 光を選択的に用いることが可能なァライメント系にも、本発明を適用することができる 。すなわち、選択した波長に応じた色収差量を用いて、マーク位置を補正するのであ る。
[0145] 例えば、マーク力 の 0次光が小さい場合には、マーク計測に先立って、色フィルタ 50を用いて、回折光の波長を 0次光の強度が大きくなるように変更し、強度像の結像 に寄与する回折光の波長を調整するようにしても良い。 0次光が強くなると、撮像素 子 60の撮像面における強度像のコントラストが大きくなり、より高精度にマーク位置を 計測することが可能となる。このような色フィルタ 50の利用は、ブロードバンドな照明 光を用いるァライメント系に限らな 、。
[0146] また、偶数次の回折光が発生するマークであっても良い。この場合には、偶数次の 回折光を除去する空間フィルタをァライメント系に備えるようにしても良 、。 [0147] なお、レチクル R上のレチクルァライメントマークについても、上記実施形態に係る マークと同様の細溝マークとし、本発明を適用することができる。
[0148] また、本実施形態は、コヒーレンスファクタを 1以上とし、計測するマークをいわゆる 細溝マークとする計測方法であるものとして捉えることも可能である。
[0149] また、ウェハ面の凹凸又はァライメント系の光学調整の誤差によって、ウェハ面とァ ライメント系 ASの光軸との角度が垂直でない場合も考えられる力 そのような誤差の 最大の角度を 0とすると、 σ > 2sin 0 + 1とすることにより、ァライメント系 ASの光軸 の角度が垂直でないことに起因する反射光のけられを防止することができる。
[0150] また、本実施形態では、露光装置 100が備えるァライメント系を 1つとしたが、ァライ メント系を複数備えるようにしても良い。図 27には、 4つのァライメント系の配置例が示 されている。個々のァライメント系 AS1〜AS4は、図 2 (A)に示されるァライメント系 A Sの構成と同じである。各ァライメント系 AS1〜AS4は、不図示の駆動装置によって XY平面内を微動となっており、各ァライメント系の光軸 Oal、 Oa2、 Oa3、 Oa4は、 所定の範囲内で任意の XY位置に位置決めすることができるようになつている。これ により、光軸 Oal、 Oa2、 Oa3、 Oa4の相対間隔 Xkl、 Xk2、 Ykl、 Yk2は、 X軸、 Y 軸方向のショット間隔の整数倍に設定することが可能であり、 4つのァライメント系 AS の個々の視野内に、同時に 4つのウェハマークを捉えることが可能である。
[0151] なお、視野が Φ 500〜1000[ /ζ m]であれば、各ァライメントを駆動する機構は、例 えばカム機構などの周知の機械的機構で十分である。
[0152] スループットの観点からすると、 4つのァライメント系 AS1〜AS4を用いて、ウェハ W上のショット配列に従って形成された 4つのウェハマーク Mを同時に検出するのが 望ましいが、 4つの計測点で、同時にべストフォーカス位置でマーク位置を計測する のは物理的に困難である。そこで、 4つのァライメント系を用いる場合にも、本実施形 態にように、フォーカス方向にウェハステージを動かしつつ、マークの計測を行うよう にする。このようにすれば、 4つの計測点において、それぞれの計測点をベストフォー カス合わせをする必要がなくなるので、 4つの計測点でマークを同時に高精度に計 測することが可能になる。なお、ファインァライメントに先立ち、予めフォーカス方向に ウェハステージを動かしつつ、 4つのァライメント系 AS1〜AS4を用いてマーク計測 を行っても良い。そして、予めァライメント系毎に、振幅変動曲線を求めるようにすれ ば、 4つの計測点で同時にマーク位置の計測を行うことができる。例えば、ファインァ ライメント時にァライメント系 AS 1についての振幅変動曲線の極値となるフォーカス位 置において、 4つのァライメント系 AS1〜AS4を用いて 4つの計測点でマークを同時 に計測する。ァライメント系 AS 1については、そのフォーカス位置の振幅変動曲線の 極値における基準マークの位置変動曲線の値を、オフセット量として取得する。他の ァライメント系 AS2〜AS4については、各々の振幅変動曲線から、ァライメント系 AS 1についての振幅変動曲線の極値となるフォーカス位置におけるオフセット量を推定 する。これにより、ファインァライメント時にフォーカス方向にウェハステージを動かし つつ、マークの計測を行わなくても 4つの計測点で同時にマーク位置の計測を行うこ とが可能となる。
[0153] また、本実施形態では、ベースラインを計測するための基準マークもウェハマーク Mと同じデザインのマークを用いているので、 σ≥1と設定しておけば、収差に経時 変化がない限り、マークの段差、反射率などによって、そのマーク計測位置の変動曲 線が変化しなくなるので、高精度なベースライン計測が可能となる。この場合のベー スライン計測量も、次数毎に求められる。
[0154] また、上記実施形態では、検出されたマークの強度像を、奇数次の空間周波数成 分に分解して、空間周波数成分の次数毎にマーク位置計測を行ったが、マーク強度 像に相当する光電信号のエッジを検出し、そのエッジ位置力 マーク位置を検出す るエッジ検出法又は自己相関法などを用いてマーク位置を計測するようにしても良い 。このような場合でも、 σ≥1と設定しておけば、フォーカスに対するマークの強度像 の位置ずれの変動は、マークの段差量などに影響されなくなるので、マーク位置の 計測精度が向上する。
[0155] 上記実施形態では、ァライメント系 ASは、落射照明方式の検出系であつたが、透 過照明方式の検出系であっても良い。
[0156] また、上記実施形態では、ァライメント方式として、 EGA方式等のグローノ レアライ メントを採用したが、ダイ ·バイ ·ダイ ·ァライメントを採用しても良 ヽことは勿論である。
[0157] また、上記実施形態では、露光光として KrFエキシマレーザ光（248nm)、 ArFェ キシマレーザ光（193nm)を用いる場合について説明した力 これに限らず、 g線 (4 36nm)、 i線（365nm)、 Fレーザ光（157nm)、 Arエキシマレーザ（126nm)、銅
2 2
蒸気レーザ、 YAGレーザ、半導体レーザなどの高調波等を露光用照明光として用 いることができる。また、露光光として、例えば国際公開第 99Z46835号パンフレット に開示されて 、るように、 DFB半導体レーザ又はファイバレーザ力 発振される赤外 域又は可視域の単一波長レーザを、例えばエルビウム（又はエルビウムとイツトリピウ ムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外 光に波長変換した高調波を用いても良 、。
[0158] また、上記実施形態の露光装置 100において、投影光学系 PLは縮小系、等倍あ るいは拡大系のいずれを用いても良いし、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいず れであっても良い。なお、複数のレンズから構成される投影光学系 PLを露光装置本 体に組み込む。その後、光学調整をするとともに、多数の機械部品からなるレチクル ステージ及びウェハステージを露光装置本体に取り付けて配線及び配管を接続し、 更に総合調整 (電気調整、動作確認等)をすることにより、上記各実施形態の露光装 置を製造することができる。なお、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 、。
[0159] なお、上記実施形態では、ステップ'アンド'スキャン方式の投影露光装置について 説明したが、これに限らず、ステップ'アンド'リピート方式の投影露光装置、又はプロ キシミティ方式の露光装置など他の露光装置にも適用できることはいうまでもない。ま た、ショット領域とショット領域とを合成するステップ'アンド'スティツチ方式の縮小投 影露光装置にも本発明を好適に適用することができる。また、例えば国際公開第 98 /24115号パンフレット、国際公開第 98/40791号パンフレットに開示されるような 、ウェハステージを 2基備えたツインステージ型の露光装置にも適用できる。また、例 えば国際公開第 99Z49504号パンフレットに開示される液浸法を用いる露光装置 にも本発明を適用することができる。
[0160] また、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むデ イスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光 装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウェハ上に 転写する露光装置、及び撮像素子 (CCDなど）、マイクロマシン、有機 EL、 DNAチ ップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、 EUV光（ 発振スペクトルが 5〜15nm (軟 X線領域)）、 X線、あるいは、電子銃として熱電子放 射型のランタンへキサボライト (LaB )、タンタル (Ta)を用いた電子線及びイオンビー
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ムなどの荷電粒子線を露光ビームとして用 、る露光装置に本発明を適用しても良 ヽ
[0161] なお、上述の実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン (又 は位相パターン ·減光パターン）を形成した光透過型マスク（レチクル）、あるいは光 反射性の基板上に所定の反射パターンを形成した光反射型マスクを用いたが、これ らのマスクに代えて、露光すべきパターンの電子データに基づ 、て透過パターン又 は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスクを用いても良い。この ような電子マスクは、例えば米国特許第 6, 778, 257号明細書に開示されている。
[0162] なお、上述の電子マスクとは、非発光型画像表示素子と自発光型画像表示素子と の双方を含む概念である。ここで、非発光型画像表示素子は、空間光変調器 (Spatia 1 Light Modulator)とも呼ばれ、光の振幅、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調 する素子であり、透過型空間光変調器と反射型空間光変調器とに分けられる。透過 型空間光変調器には、透過型液晶表示素子 (LCD:Liquid Crystal Display)、エレク トロクロミックディスプレイ (ECD)等が含まれる。また、反射型空間光変調器には、 D MD (Digital Mirror Device,又 ίま Digital Micro-mirror Device)、反射^フーアレイ、反 射型液晶表示素子、電気泳動ディスプレイ（EPD:ElectroPhoretic Display)、電子べ ーノ （又は電子インク）、光回折ライトバルブ（Grating Light Value)等が含まれる。
[0163] また、自発光型画像表示素子には、 CRT (Cathode Ray Tube)、無機 EL (Electro Luminescence)ディスプレイ、電界放出ディスプレイ（FED: Field Emission Display)ゝ プラズマディスプレイ（PDP:Plasma Display Panel)、複数の発光点を有する固体光 源チップ、チップを複数個アレイ状に配列した固体光源チップアレイ、又は複数の発 光点を 1枚の基板に作り込んだ固体光源アレイ（例えば LED (Light Emitting Diode) ディスプレイ、 OLED (Organic Light Emitting Diode)ディスプレイ及び LD (Laser Di ode)ディスプレイ等）等が含まれる。なお、周知のプラズマディスプレイ（PDP)の各画 素に設けられている蛍光物質を取り除くと、紫外域の光を発光する自発光型画像表 示素子となる。
[0164] また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなぐ光露光装置、 EUV露光装置 、 X線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造 するために、ガラス基板又はシリコンウェハなどに回路パターンを転写する露光装置 にも本発明を適用できる。ここで、 DUV (遠紫外)光又は VUV (真空紫外)光などを 用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石 英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶な どが用いられる。また、プロキシミティ方式の X線露光装置、又は電子線露光装置な どでは透過型マスク (ステンシルマスク、メンブレンマスク）が用いられ、マスク基板とし てはシリコンウェハなどが用いられる。
[0165] また、上記実施形態では、露光装置の露光光としては波長 lOOnm以上の光に限ら ず、波長 lOOnm未満の光を用いても良いことはいうまでもない。例えば、近年、 70η m以下のパターンを露光するために、 SOR又はプラズマレーザを光源として、軟 X線 領域（例えば 5〜15nmの波長域）の EUV(Extreme Ultraviolet)光を発生させるとと もに、その露光波長（例えば 13. 5nm)の下で設計されたオール反射縮小光学系、 及び反射型マスクを用いた EUV露光装置の開発が行われて 、る。この装置にぉ ヽ ては、円弧照明を用いてマスクとウェハを同期走査してスキャン露光する構成が考え られる。
[0166] また、電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いる露光装置にも、本発明は 適用できる。なお、電子線露光装置は、ペンシルビーム方式、可変成形ビーム方式、 セルプロジェクシヨン方式、ブランキング ·アパーチャ 'アレイ方式、及びマスク投影方 式のいずれであっても良い。例えば、電子線を用いる露光装置では、電磁レンズを 備えた光学系が用いられる。
[0167] また、位置合わせ用のマークは、露光装置での位置合わせだけに用いられるもの ではなぐ例えば、ウェハ上のショット領域の重ね合わせ誤差を測定する重ね合わせ 測定器のように、測定に当たりウェハの位置合わせが必要な装置のその位置合わせ に用いられるマーク及びァライメント系にも、本発明を適用することが可能である。こ のように、物体上に形成された位置合わせ用マーク、又は該マークの位置情報を計 測する計測装置であれば、本発明を採用することが可能である。
[0168] また、本発明のパターン方法は、露光装置に限らず、物体上に形成されたマークの 位置情報を計測する本発明のマーク計測装置と、該マーク計測装置で計測された位 置情報に基づ 、て、パターンの形成時における物体の位置を制御する制御装置とを 備えた装置であれば、適用が可能である。例えば、特開 2004— 130312号公報な どに開示される，インクジェットヘッド群と同様のインクジェット式の機能性液体付与装 置を備えた素子製造装置と同様のパターン形成装置にも本発明は適用可能である。 上記公開公報に開示されるインクジェットヘッド群は、所定の機能性液体 (金属含有 液体、感光材料など）をノズル（吐出口）から吐出して基板 (例えば PET、ガラス、シリ コン、紙など）に付与するインクジェットヘッドを複数有している。従って、基板上に形 成されたマークの位置情報をマーク計測装置で計測し、その計測結果に基づ 、てパ ターン形成時におけるインクジェットヘッド群に対する基板の相対位置を制御装置で 制御するようにすることができる。
[0169] なお、本国際出願で指定した指定国 (又は選択した選択国)の国内法令が許す限 りにおいて、上述した各種の公報、国際公開パンフレット、米国特許出願公開明細書 、及び米国特許明細書における開示を援用して、本明細書の記載の一部とする。
[0170] マイクロデバイスは、デバイスの機能 ·性能設計を行うステップ、この設計ステップに 基づいたマスク（レチクル)を製作するステップ、基板処理ステップ、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、ノ ッケージ工程を含む）、検査ステツ プ等を経て製造される。基板処理ステップでは、基板 (ウェハ又はガラスプレート等） に必要な前処理工程を行うステップ、上記実施形態の露光装置などによりマスク（レ チクル)のパターンを基板に転写するステップ、露光された基板を現像するステップ、 レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去るステツ プ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くステップなど力 繰り返し行わ れる。
[0171] また、上述した露光装置で行われる複数のレイヤの露光のうち、少なくとも 1つのレ ィャの露光に代えて、前述した素子製造装置を用いて基板上にパターンを形成する こととしても良い。この場合も、高精度にパターンを形成することができるので、結果 的にデバイスの生産性 (歩留まりを含む）の向上を図ることが可能になる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明の計測方法、計測装置及び処理装置は、マーク位置 を計測するのに適している。また、本発明のパターン形成方法及びデバイス製造方 法は、デバイスの製造に適している。

Claims

請求の範囲
[1] 物体上に形成された周期マークに照明光を照射する照明光学系と、前記照明光の 照射による前記周期マークからの 0次光及び奇数次の回折光のみを集光する集光 光学系と、集光された光を電気信号に変換する光電変換装置とを備え、前記集光光 学系の開口数に対する前記照明光学系の開口数の比率が 1以上に設定された検出 装置を用いて、前記周期マークのその周期方向に関する位置情報を検出する検出 工程を含む計測方法。
[2] 請求項 1に記載の計測方法において、
前記集光光学系に対する前記周期マークのフォーカス位置に関連する位置誤差 情報を取得する取得工程をさらに含む計測方法。
[3] 請求項 2に記載の計測方法において、
前記検出工程では、
前記計測が行われたときのフォーカス位置に対応する位置誤差情報を前記位置情 報に反映させる計測方法。
[4] 請求項 2に記載の計測方法において、
前記取得工程は、
前記複数の異なるフォーカス位置各々で、周期マークの位置情報を検出する第 1 副工程と；
前記第 1副工程の検出結果に基づ 、て、前記フォーカス位置に関連する前記周期 マークの位置誤差情報を取得する第 2副工程と；を含む計測方法。
[5] 請求項 4に記載の計測方法において、
前記第 1副工程では、
前記フォーカス位置を常に変化させながら、任意のサンプリング間隔で、前記周期 マークの位置情報を検出する計測方法。
[6] 請求項 4又は 5に記載の計測方法にぉ 、て、
前記第 2副工程では、
前記第 1副工程の計測結果に基づ!/、て、前記フォーカス位置の変動に対する前記 周期マークの位置情報の変動を表す位置変動曲線を位置ずれデータに対し 2次以 上の多項式近似手法を用いて作成する計測方法。
[7] 請求項 6に記載の計測方法において、
前記取得工程では、
前記位置変動曲線の極値における前記周期マークの位置ずれ量、又は、極値の 前後所定のフォーカス範囲内の全位置ずれデータの平均値を、前記位置誤差情報 として取得し、
前記検出工程では、
前記極値に対応するフォーカス位置での近似曲線でのピーク値、又は極値付近の 所定のフォーカス範囲内の平均位置ずれ量に基づいて前記周期マークの位置情報 を検出する計測方法。
[8] 請求項 4又は 5に記載の計測方法にぉ 、て、
前記第 2副工程では、
前記フォーカス位置の変動に対する振幅の変動を表す振幅変動曲線を作成し、そ の振動変動曲線の極値となるフォーカス位置での前記電気信号に基づく前記周期 マークの位置ずれ量を、前記位置誤差情報として取得し、
前記検出工程では、
前記極値に対応するフォーカス位置での近似曲線でのピーク値、又は極値付近の 所定のフォーカス範囲内の平均位置ずれ量に基づいて前記周期マークの位置情報 を検出する計測方法。
[9] 請求項 2〜8の 、ずれか一項に記載の計測方法にぉ 、て、
前記取得工程では、
前記周期マークの強度像に含まれる空間周波数の次数毎に、前記位置誤差情報 を取得する計測方法。
[10] 請求項 9に記載の計測方法にぉ 、て、
前記検出工程では、
前記次数毎に前記周期マークの位置情報を検出し、その検出の際に、その次数に 応じた位置誤差情報を計測結果に反映させる計測方法。
[11] 請求項 9に記載の計測方法において、 前記検出工程では、
前記周期マークの位置情報を、前記各次数で検出された前記周期マークの位置 情報の重み付け平均とする計測方法。
[12] 請求項 2〜： L 1の 、ずれか一項に記載の計測方法にぉ 、て、
前記取得工程では、
前記周期マークを、前記集光光学系の視野内の所定の基準位置に位置決めし、 位置決めされた前記周期マークの前記周期方向の位置情報の前記基準位置からの 位置ずれ量に基づ!/、て、前記位置誤差情報を取得する計測方法。
[13] 請求項 12に記載の計測方法において、
前記基準位置は、前記集光光学系の視野の中心である計測方法。
[14] 請求項 12又は 13に記載の計測方法において、
前記検出工程では、
前記取得工程において前記位置誤差情報が取得されたフォーカス位置での前記 光電信号に基づいて、前記周期マークの位置情報を検出する計測方法。
[15] 請求項 12又は 13に記載の計測方法において、
前記取得工程では、
複数の異なるフォーカス位置で、前記位置誤差情報を取得する計測方法。
[16] 請求項 15に記載の計測方法において、
前記検出工程では、
前記位置情報の検出が行われたときのフォーカス位置に対応する位置誤差情報を その位置情報に反映させる計測方法。
[17] 請求項 1〜16のいずれか一項に記載の計測方法において、
前記周期マークとして、
照明光の入射より発生する回折光のうち、所定次数以下の偶数次数の回折光の強 度が弱まるマークを用いる計測方法。
[18] 請求項 17に記載の計測方法において、
前記周期マークは、
第 1周期を基本周期とする第 1成分と、前記第 1周期の偶数倍の第 2周期を基本周 期とする第 2成分とを含むマークである計測方法。
[19] 請求項 18に記載の計測方法において、
前記周期マークは、
前記第 1周期を基本周期とし、その周期方向の全長が前記第 2周期の半分である 周期的な凹凸パターンが、前記第 2周期で設けられており、
前記凹凸パターンの凹部の周期方向の幅は、前記第 1周期の半分よりも短くなるよ うに設定されている計測方法。
[20] 請求項 19に記載の計測方法において、
前記照明光学系の開口数と前記集光光学系の開口数との和が、前記照明光の波 長を前記周期マークの基本周期のうちの最短の周期で除算した値よりも小さくなるよ うに設定されている計測方法。
[21] 請求項 17に記載の計測方法において、
前記照明光は、所定の波長帯域を有する光であり、
前記取得工程に先立って、
前記周期マークを照明する照明光の波長として、前記周期マークからの 0次光が消 失しない波長を選択する波長選択工程をさらに含む計測方法。
[22] 物体上に形成されたマークに照明光を照射する照明光学系と、そのマークからの 回折光を集光する集光光学系と、集光された光を電気信号に変換する光電変換装 置とを備え、前記集光光学系の開口数に対する前記照明光学系の開口数の比率が 1以上に設定された検出装置を用いて、第 1周期を基本周期とする第 1成分と、前記 第 1周期の偶数倍の第 2周期を基本周期とする第 2成分とを含む周期マークのその 周期方向に関する位置情報を検出する検出工程を含む計測方法。
[23] 請求項 22に記載の計測方法にぉ 、て、
前記周期マークの構造を、
前記第 1周期を基本周期とし、その周期方向の全長が前記第 2周期の半分である 周期的な凹凸パターンが、前記第 2周期で設けられた構造とし、
前記凹凸パターンの凹部の周期方向の幅を、前記第 1周期の半分よりも短くなるよ うに設定する計測方法。
[24] 請求項 23に記載の計測方法にぉ 、て、
前記照明光学系の開口数と前記集光光学系の開口数との和を、前記照明光の波 長を前記周期マークの基本周期のうちの最短の周期で除算した値よりも小さくなるよ うに設定する計測方法。
[25] 物体上の複数の異なる場所に配置された複数マーク各々を同時に計測可能に配 置され、前記物体上に形成されたマークに照明光を照射する照明光学系と、そのマ ークからの回折光を集光する集光光学系と、集光された光を電気信号に変換する光 電変換装置とを備え、そのマークの位置情報を検出する複数の検出装置を用いて、 前記集光光学系に対する前記マークのフォーカス位置を所定範囲で変化させながら 、任意のサンプリング間隔で、前記マークの位置情報を計測する計測方法。
[26] 請求項 1〜25のいずれか一項に記載の計測方法を用いて、処理対象となる物体 上に形成された位置合わせ用マークの位置情報を計測する計測装置。
[27] 物体上に形成された周期マークに照明光を照射する照明光学系と；
前記照明光の照射による前記周期マークからの 0次光及び奇数次の回折光のみを 集光する集光光学系と；
集光された光を電気信号に変換する光電変換装置と；
前記電気信号に基づいて、前記周期マークの周期方向に関する位置情報を算出 する算出装置と;を備え、
前記集光光学系の開口数に対する前記照明光学系の開口数の比率が 1以上に設 定されている計測装置。
[28] 物体上に形成されたマークに照明光を照射する照明光学系と、そのマークからの 回折光を集光する集光光学系と、集光された光を電気信号に変換する光電変換装 置とをそれぞれ備え、前記物体上の複数の異なる場所に配置された複数の前記マ ーク各々を同時に計測可能に配置された複数の検出装置と；
前記集光光学系の光軸方向に関する前記物体の位置を所定範囲で変化させなが ら、任意のサンプリング間隔で、前記複数の検出装置を用いて、前記複数のマーク の位置情報を計測する制御装置と；を備える計測装置。
[29] 請求項 26〜28の 、ずれか一項に記載の計測装置と； 前記計測装置の計測結果に基づいて前記物体の位置を制御する位置制御装置と ；を備える処理装置。
[30] 物体上にパターンを形成するパターン形成方法であって、
請求項 1〜25のいずれか一項に記載の計測方法を用いて、前記物体上に形成さ れた位置合わせ用マークの位置情報を計測する計測工程と；
前記位置情報の計測結果に基づ!、て、前記パターンの形成時における前記物体 の位置を制御する制御工程と；を含むパターン形成方法。
[31] 請求項 30に記載のパターン形成方法であって、
前記物体へのパターンの形成は、エネルギビームにより前記物体を露光することで 行われるパターン形成方法。
[32] 請求項 30又は 31に記載のパターン形成方法を用いて物体上にパターンを形成す る工程と；
前記パターンが形成された前記物体に処理を施す工程と；を含むデバイス製造方 法。
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