JP2007027593A - フォーカス計測方法および計測装置、露光方法および露光装置ならびにオフセット計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハの反射率差などのウエハプロセス誤差を軽減し、かつ装置コストを抑え、面位置を検出する。
【解決手段】ウエハ等の被処理基板の所定場所に計測光を照射し、その反射光を受光素子で検出し、該被処理基板における該所定場所の面位置を計測する。前記被処理基板を保持する基板保持手段には基準マークが配置されている。前記所定場所を所定の計測光照射位置に位置合わせして第１の面位置計測を行う工程Ｓ１１０と、該所定場所の前記基準マークとの相対位置を求める工程とを有する。また、保持手段を面位置計側方向と垂直な面内で１８０度回転させる工程と、前記基準マークとの相対位置に基づき前記所定場所を前記照射位置に位置合わせして第２の面位置計測を行う工程Ｓ１４０とを有する。さらに、位置計測値と第２の面位置計測値とに基づいて、前記照射位置での前記所定場所における面位置計測のオフセットを求める工程Ｓ１５０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置におけるウエハなどの基板の面位置検出に関する。

フォトリソグラフィ（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子または液晶表示素子を製造する際、投影露光装置が使用される。この投影露光装置では、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等に投影して回路パターンを転写する。

投影露光装置においては、半導体素子の高集積化に伴い、より高い解像力でレチクルの回路パターンをウエハに投影露光することが要求されている。投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど解像力はよくなる。このため、近年の光源は、超高圧水銀ランプから波長の短いＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザになり、Ｆ_２レーザの実用化も進んでいる。超高圧水銀ランプの光としては、波長約４３６ｎｍのｇ線および波長約３６５ｎｍのｉ線がある。また、ＫｒＦエキシマレーザの波長は約２４８ｎｍ、ＡｒＦエキシマレーザの波長は約１９３ｎｍ、Ｆ_２レーザの波長は約１５７ｎｍである。
さらに、露光領域の一層の拡大も要求されている。

これらの要求を達成するために、投影露光装置も、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（いわゆる「ステッパ」）から、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（いわゆる「スキャナ」）が主流になりつつある。ステッパは、略正方形形状の露光領域をウエハに縮小して一括露光するものである。一方、スキャナは、露光領域を矩形または円弧状のスリット形状としてレチクルとウエハを相対的に高速走査するもので、大画面を精度よく露光することができる。

スキャナでは、露光中において、ウエハの所定の位置が露光スリット領域に差し掛かる前に、光斜入射系の表面位置検出手段によってそのウエハの所定の位置における表面位置を計測する。そして、その所定の位置を露光する際にウエハ表面を最適な露光結像位置（フォーカス位置）に合わせ込む駆動を行っている。
特に、露光スリットの長手方向（即ち、走査方向と垂直方向）には、ウエハの表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく、表面の傾き（チルト）を計測するために、露光スリット領域に複数の計測点を有している。かかるフォーカスおよびチルトの計測方法は、数々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、近年では露光光の短波長化および投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなり、露光すべきウエハ表面を最良結像面に合わせ込む精度、いわゆるフォーカス精度もますます厳しくなってきている。特に、最近ではウエハ上のパターンの粗密やウエハに塗布されたレジストの厚さむらに起因する表面位置検出手段の計測誤差が無視することができなくなってきている。

まず、レジストの厚さむらに起因する計測誤差としては、周辺回路パターンやスクライブライン近傍には、焦点深度と比べれば小さいが、フォーカス計測にとっては大きな段差が発生している。このため、塗布されるレジスト表面の傾斜角度が大きくなり、表面位置検出手段の検出する反射光が反射や屈折によって正反射角度からずれを生じてしまう。

また、ウエハ上のパターンの粗密に起因する計測誤差としては、図１４に示すように、パターンが粗な領域と密な領域とでは、ウエハの反射率に差が生じてしまう。このため、表面位置検出手段で検出する反射光の反射強度が変化し、パターンの粗密のない場合の本来の信号波形（Ａ）に対して（Ｂ）のような非対称性が発生し、例えば重心処理等の信号処理では計測誤差（オフセット）が生じる。

このようなウエハ表面位置検出手段の計測誤差を軽減するために、以下に示すような手法が提案されている。
例えば、特許文献２では、計測場所を中心に１８０度回転させて計測値の平均値を用いる方法が提案されている。また、特許文献３では、同一計測場所を２つの光学系を用いて互いに逆方向から計測を行い、計測誤差をキャンセルする方法が提案されている。
特開平６−２６０３９１号公報 特開平８−２１７０５号公報 特開平１１−１６８２７号公報

しかしながら、特許文献２のような単に回転のみでは、投影光学系の光軸方向におけるウエハの面位置（以下、「Ｚ高さ」という）およびチルトが回転前後で再現していない可能性がある。この場合、計測値にウエハプロセス誤差だけでなく、フォーカス、チルトずれが含まれるため、正しくウエハプロセス誤差を算出することができない。
また、特許文献３では、特許文献２で生じるフォーカス、チルトずれの問題はなくなるが、光学系を２つ持つことになり、装置コストを上げてしまうこととなる。
本発明は、上述の従来例における問題点を解決することを課題とする。

すなわち、本発明は、被露光基板、例えばウエハの反射率差などのウエハプロセス誤差が発生する状況下においても、面位置検出のための、装置コストを抑え、ウエハプロセス誤差を軽減することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明では、被処理基板上の所定場所に対して第１の面位置計測を行い、次に被処理基板を１８０度回転して同一場所に対して第２の面位置計測を行う。これらの第１および第２の面位置計測による計測値に基づいて前記照射位置での前記所定場所における面位置計測のオフセットを求める。さらに、被処理基板を保持する基板保持手段に基準マークを設け、このマークと所定場所の相対位置をモニタし、被処理基板を１８０度回転する前後で面位置計測光が正しく同一場所に照射されるようにする。

本発明によれば、被処理基板上の場所によって、パターンの粗密による反射率差などが生じていても、より正確なオフセットを求めることができる。したがって、スキャナやステッパのような投影露光装置におけるウエハ等の被処理基板の面位置検出精度を向上させることができ、ひいては歩留まりを向上させることができる。特に、本発明を露光装置に適用した場合、露光せずにウエハ面のベストフォーカスを求めることができるため、ＴＡＴの短縮にも効果がある。

先ず、本発明の実施態様を列挙する。
［実施態様１］
このフォーカス計測方法は、レチクルとウエハを相対的に走査して、レチクル上に形成された回路パターンをウエハ上の複数のショットに投影露光する露光装置に適用される。そして、非露光光を該ウエハの特定場所に照射し、その反射光を受光素子で検出し、受光素子からの信号を用いて、ウエハの面位置を計測するフォーカス計測方法に関し、以下を特徴とする。
該ウエハを装着したウエハチャックにはチャックマークが配置されている。照射位置は非露光光を照射するための光学系により決まっている。該照射位置において、該ウエハの特定場所で第１のフォーカス計測を行う工程と、該ウエハの特定場所の該チャックマークからの相対位置を求める工程を有する。また、該ウエハチャックを１８０度回転させる工程と、該チャックマークからの相対位置に基づいて該ウエハの特定場所を該照射位置に位置合わせし、第２のフォーカス計測を行う工程を有する。さらに、第１のフォーカス計測値と第２のフォーカス計測値に基づいて、該照射位置での該ウエハの特定場所におけるオフセットを求める工程を有する。

［実施態様２］
このフォーカス計測方法は、レチクルとウエハを相対的に走査して、レチクル上に形成された回路パターンをウエハ上の複数のショットに投影露光する露光装置に適用される。そして、非露光光を該ウエハの特定場所に複数照射し、その反射光を受光素子で検出し、受光素子からの信号を用いて、ウエハの面位置を計測するフォーカス計測方法に関し、以下を特徴とする。
該ウエハを装着したウエハチャックにはチャックマークが配置されている。複数の照射位置は非露光光を照射するための光学系により決まっており、夫々の照射位置は、該複数の照射位置全体の中心位置に対して対称に配置している。該複数の照射位置全体の中心位置において、該ウエハの特定場所で第１のフォーカス計測を行う工程と、該ウエハの特定場所の該チャックマークからの相対位置を求める工程とを有する。また、該ウエハチャックを１８０度回転させる工程を有する。また、該チャックマークからの相対位置に基づいて該ウエハの特定場所を該複数の照射位置全体の中心位置に位置合わせし、第２のフォーカス計測を行う工程を有する。さらに、夫々の照射位置の該ウエハ特定場所におけるオフセットを求める工程を有する。このオフセットは、夫々の照射位置における第１のフォーカス計測値と、夫々の照射位置に対して、該複数の照射位置全体の中心位置に関して対称な位置関係にある照射位置における第２のフォーカス計測値に基づいて求める。

［実施態様３］
このフォーカス計測方法において、実施態様１あるいは実施態様２記載の照射される非露光光は、マークが投影された光であることを特徴とする。

［実施態様４］
このフォーカス計測装置は、レチクルとウエハを相対的に走査して、レチクル上に形成された回路パターンをウエハ上の複数のショットに投影露光する露光装置に適用される。そして、非露光光を該ウエハの特定場所に照射し、その反射光を受光素子で検出し、受光素子からの信号を用いて、ウエハの面位置を計測するフォーカス計測装置に関し、以下を特徴とする。
該ウエハを装着したウエハチャックにはチャックマークが配置されている。照射位置は非露光光を照射するための光学系により決まっている。該照射位置において、該ウエハの特定場所で第１のフォーカス計測を行う手段と、該ウエハの特定場所の該チャックマークからの相対位置を求める手段を有する。また、該ウエハチャックを１８０度回転させる手段と、該チャックマークからの相対位置に基づいて該ウエハの特定場所を該照射位置に位置合わせし、第２のフォーカス計測を行う手段を有する。さらに、第１のフォーカス計測値と第２のフォーカス計測値に基づいて、該照射位置での該ウエハの特定場所におけるオフセットを求める手段を有する。

［実施態様５］
このフォーカス計測装置は、レチクルとウエハを相対的に走査して、レチクル上に形成された回路パターンをウエハ上の複数のショットに投影露光する露光装置に適用される。そして、非露光光を該ウエハの特定場所に照射し、その反射光を受光素子で検出し、受光素子からの信号を用いて、ウエハの面位置を計測するフォーカス計測装置に関し、以下を特徴とする。
該ウエハを装着したウエハチャックにはチャックマークが配置されている。複数の照射位置は非露光光を照射するための光学系により決まっており、夫々の照射位置は、該複数の照射位置全体の中心位置に対して対称に配置している。該複数の照射位置全体の中心位置において、該ウエハの特定場所で第１のフォーカス計測を行う手段と、該ウエハの特定場所の該チャックマークからの相対位置を求める手段とを有する。また、該ウエハチャックを１８０度回転させる手段と、該チャックマークからの相対位置に基づいて該ウエハの特定場所を該複数の照射位置全体の中心位置に位置合わせし、第２のフォーカス計測を行う手段を有する。さらに、夫々の照射位置の該ウエハ特定場所におけるオフセットを求める手段を有する。オフセットは、夫々の照射位置における第１のフォーカス計測値と、夫々の照射位置に対して、該複数の照射位置全体の中心位置に関して対称な位置関係にある照射位置における第２のフォーカス計測値に基づいて求める。

［実施態様６］
このフォーカス計測装置において、実施態様４あるいは実施態様５記載の照射される非露光光は、マークが投影された光であることを特徴とする。

［実施態様７］
このフォーカス計測装置では、実施態様６記載のフォーカス計測装置において、フォーカス計測用のマークをフォーカス計測用の投影光学系によりウエハ上に投影し、投影像を受光光学系により受光素子に再結像させる。そして、該投影光学系に関して、マークが形成されている面とウエハ面とがシャインプルーフの関係にあり、かつ該受光光学系に関して、ウエハ面と受光素子面とがシャインプルーフの関係にあることを特徴とする。

［実施態様８］
このフォーカス計測方法において、実施態様１から実施態様３記載のオフセットを求めるフォーカス計測は、ロットの先頭ウエハに対して行うことを特徴とする。
［実施態様９］
このフォーカス計測方法において、実施態様１から実施態様３記載のオフセットを求めるフォーカス計測は、ウエハプロセス毎に行うことを特徴とする。
［実施態様１０］
このフォーカス計測方法において、実施態様１から実施態様３記載のオフセットを求めるフォーカス計測は、デバイスパターンごとに行うことを特徴とする。

［実施態様１１］
この露光方法は、実施態様１から実施態様３記載のオフセットを用いて露光する工程を有することを特徴とする。
［実施態様１２］
この露光装置は、実施態様４から実施態様６記載のオフセットを用いて露光する手段を有することを特徴とする。

［実施態様１３］
実施態様４から実施態様６記載のオフセットを求める装置が、露光装置とは別にオフセット計測装置として構成されることを特徴とする。
［実施態様１４］
実施態様１３記載のオフセット計測装置は、ひとつ、あるいは複数の露光装置に対して管理することのできるオフセット計測装置である。
［実施態様１５］
実施態様１から実施態様１４記載の露光装置は、スキャナまたはステッパである。

次に、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
図１３は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略ブロック図である。
露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２０に形成された回路パターンをウエハ４０に露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィ工程に好適である。露光装置１は、図１３に示すように、照明装置１０と、レチクル２０を載置するレチクルステージ２５と、投影光学系３０と、ウエハ４０を載置するウエハステージ４５とを有する。また、フォーカスチルト検出系５０と、アライメント検出系７０と、制御部６０とを有する。

制御部６０は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置１０、レチクルステージ２５、ウエハステージ４５、フォーカスチルト検出系５０、アライメント検出系７０と電気的に接続され、露光装置１の動作を制御する。
照明装置１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル２０を照明し、光源部１２と、照明光学系１４とを有する。
光源部１２は、レーザ光を使用し、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザなどを使用することができる。但し、光源の種類はエキシマレーザに限定されず、波長約１５７ｎｍのＦ_２レーザや波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を使用してもよい。

照明光学系１４は、光源部１２から射出した光束を用いて被照明面を照明する光学系であり、本実施形態では、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、レチクル２０を照明する。照明光学系１４は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレータ、絞り等を含み、例えば、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系の順で配置する。照明光学系１４は、軸上光、軸外光を問わずに使用することができる。オプティカルインテグレータは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（またはレンチキュラーレンズ）板を重ねることによって構成されるインテグレータを含む。但し、光学ロッドや回折素子に置換される場合もある。

レチクル２０は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターンが形成され、レチクルステージ２５に支持および駆動される。レチクル２０から発せられた回折光は、投影光学系３０を通り、ウエハ４０上に投影される。レチクル２０とウエハ４０とは、光学的に共役の関係に配置される。レチクル２０とウエハ４０を縮小倍率比の速度比で走査することによりレチクル２０のパターンをウエハ４０上に転写する。なお、露光装置１には、光斜入射系のレチクル検出手段７０が設けられており、レチクル２０は、不図示のレチクル検出手段によって位置が検出され、所定の位置に配置される。

レチクルステージ２５は、不図示のレチクルチャックを介してレチクル２０を支持し、不図示の移動機構に接続されている。不図示の移動機構は、リニアモータなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向および各軸の回転方向にレチクルステージ２５を駆動することでレチクル２０を移動させることができる。
投影光学系３０は、物体面からの光束を像面に結像する機能を有し、レチクル２０に形成されたパターンを経た回折光をウエハ４０上に結像する。
ウエハ４０は、被処理体であり、フォトレジストが基板上に塗布されている。なお、本実施形態では、ウエハ４０は、フォーカスチルト検出系５０が位置を検出する被検出体でもある。
アライメント光学系７０は、ウエハ４０のＸＹ位置ずれを検出するためのものであり、図では露光投影光学系の光軸とは別の光軸上に配置され、非露光光を用いるいわゆるオフアクシス方式を示している。

ウエハステージ４５は、ウエハチャック４６によってウエハ４０を支持する。ウエハチャックには、少なくとも３つ以上のウエハチャックマークが配置されており、フォーカスチルト検出系５０によってＺ高さ情報を、アライメント光学系によってＸＹ位置情報を得ることができる。ウエハステージ４５は、レチクルステージ２５と同様に、リニアモータを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向および各軸の回転方向にウエハ４０およびウエハチャック４６を移動させる。また、レチクルステージ２５の位置とウエハステージ４５の位置は、例えば、レーザ干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ウエハステージ４５は、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられる。レチクルステージ２５および投影光学系３０は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパを介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。

次に、本実施形態におけるフォーカスチルト検出系５０について説明する。フォーカスチルト検出系は、光学的な計測システムを用いて露光中のウエハ４０の表面位置（Ｚ軸方向）の位置情報を検出する。本実施形態では、特にフォーカス検出用のスリット状のマークをウエハ上に照射する検出方式を説明する。具体的には、フォーカス検出用のスリット状のマークを、フォーカス検出用の投影光学系５２を用いてウエハ４０の表面に対して高入射角度で投影する。そのマーク投影像を、受光光学系５４を用いてＣＣＤなどの光電変換素子に再結像させ、光電変換素子からの信号波形を用いて、ウエハの面位置を検出する。

次に、ウエハ４０上のあるショットの一つの計測個所に対して、露光スリットの長手方向に複数のマークを配置して、それぞれのマーク像を個別の光電変換素子に再結像させフォーカス計測を行う。
さらに、ウエハ４０上の複数のサンプルショットに対して走査方向に数ｍｍ間隔で上記の複数マークによるフォーカス計測を行い、これらのフォーカス計測結果を統計的に処理することにより、ウエハの面位置（フォーカスおよびチルト）を検出している。

［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１を説明するフロー図である。
本発明の実施形態１は、ウエハ上に照射されたフォーカス検出用のスリット状のマークが一つ（ｍｋ）の場合である。
ウエハを搬入して、ウエハチャックに装着されると、まずステップＳ１００で、ウエハチャック上にある少なくとも３つのチャックマークのＺ高さ、およびＸＹ位置を計測する。

図２は、本実施形態の動作を、ＸＹ平面、およびＺ方向から説明した図である。上記ステップＳ１００では、図２のチャックマークｃｍｋ１、ｃｍｋ２、ｃｍｋ３に対してそれぞれＸＹ位置計測およびＺ高さ計測を行い、チャックマークの平面を決定する。
なお、ここでチャックマークを計測する理由は、Ｚ高さや、ＸＹ位置の基準を決めるために、ウエハプロセス誤差のないマークを用いる必要があるからである。

次に、図１のステップＳ１１０で、チャックマークの平面とステージの走り面が一致するように、マークｍｋによって第１のフォーカス計測を行う。なお、この第１のフォーカス計測はウエハ上のサンプルショットにおけるスキャン方向に通常数ｍｍの間隔で行う。
図３は第１のフォーカス計測における図２のマークｍｋ付近（Ａ）の詳細を示した図で、一例としてマークｍｋに対して、ウエハの下地パターンの反射率が紙面左側で低く、紙面右側で高い場合を示す。このときマークｍｋの光電変換素子上でのフォーカス計測信号は、反射率が高い領域では信号強度が高く、反射率が低い領域では信号強度が低くなるため、図３（ｂ）のようになる。ここで、基準高さからのずれ量をＺ、ウエハプロセスによる誤差をΔとすると、フォーカス計測値ｍｋ（１）は数式１で表される。なお、以下の説明においてｍｋに続くかっこ内の数字は、回転前が１、回転後が２を示す。

次に、図１のステップＳ１２０では、ウエハを１８０度回転させて、ステップＳ１３０で、再び、チャックマークの高さ、およびＸＹ位置を計測する。
図４は、ウエハ回転後の動作をＸＹ平面、およびＺ方向から説明した図である。上記ステップＳ１３０では、ステップＳ１１０と同様に、チャックマークｃｍｋ１、ｃｍｋ２、ｃｍｋ３に対してそれぞれＸＹ位置計測およびＺ高さ計測を行い、チャックマークの平面を決定する。

次に、図１のステップＳ１４０で、第１のフォーカス計測を行ったウエハのそれぞれの位置に対して、ＸＹ位置が一致し、かつＺ高さは、ステージの走りがチャックマークの平面に合うように位置合わせする。さらに、この状態で第２のフォーカス計測を行う。
なお、本実施形態では、第１のフォーカス計測位置と第２のフォーカス計測位置とを、ＸＹ位置を正確に一致させる必要があるが、ＸＹ位置を一致するためには、まず、第１のフォーカス計測を実施したＸＹ位置を、チャックマーク基準で記憶しておき、ウエハ回転後に、チャックマーク基準でＸＹ位置を戻すことで実現することができる。

図５は第２のフォーカス計測における図４のマークｍｋ付近（Ｂ）の詳細を示した図である。ウエハの下地パターンの反射率がウエハ回転前の図３（ａ）と比べて反転し、紙面左側で高く、紙面右側で低くなる。従って、マークｍｋの光電変換素子上でのフォーカス計測信号は図５（ｂ）のようになり、下地パターンの反射率による信号強度の差が、ウエハ回転前と比べて反転している。以上から、フォーカス計測値ｍｋ（２）は数式２で表され、数式１と比べてウエハプロセスによる誤差Δが異符号となる。

次に、図１のステップＳ１５０では、マークｍｋにおけるウエハ上の各位置における基準高さからのずれＺとウエハプロセス誤差Δを、ｍｋ（１）とｍｋ（２）を用いて数式３のように算出する。

最後に、図１のステップＳ１６０では、ウエハプロセスの誤差Δをオフセットとして持ち、ウエハ上に実際の露光を行う。すなわち、実際の露光時には、ウエハの各位置で第１のフォーカス計測値からΔを差し引く。これにより、ウエハプロセス誤差を低減したウエハの面位置検出が可能となる。

［実施形態２］
図６は本発明の実施形態２を説明するフロー図である。
本発明の実施形態２は、ウエハ上に照射されたフォーカス検出用のスリット状のマークが複数（ｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３）の場合である。
ウエハを搬入して、ウエハチャックに装着されると、まずステップＳ２００で、ウエハチャック上にある少なくとも３つのチャックマークのＺ高さ、およびＸＹ位置を計測する。図７は、本実施形態２について、ＸＹ平面、およびＺ方向から説明した図である。ステップＳ２００では、図７のチャックマークｃｍｋ１、ｃｍｋ２、ｃｍｋ３に対してそれぞれＸＹ位置計測およびＺ高さ計測を行い、チャックマークの平面を決定する。

次にステップＳ２１０で、チャックマークの平面とステージの走り面が一致するように、複数マークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３を用いて、ステージをスキャンさせながら、第１のフォーカス計測を行う。図８は第１のフォーカス計測における図７のマークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３付近（Ａ）の詳細を示した図である。マーク下のウエハのパターンがロジック、メモリ、スクライブラインなどで反射率がさまざまに異なり、マークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３の光電変換素子上でのフォーカス計測信号は、図８（ｂ）のようになる。なお、本実施形態におけるそれぞれのマークはマーク全体の中心位置に対して対称に配置されている。それぞれのマークの計測値ｍｋ１（１）、ｍｋ２（１）、ｍｋ３（１）は、マーク基準高さからのずれ量をＺ１、Ｚ２、Ｚ３、ウエハプロセスによる誤差をΔ１、Δ２、Δ３とすると、数式４で表される。

次にステップＳ２２０では、ウエハを１８０度回転させて、ステップＳ２３０で、再び、チャックマークの高さ、およびＸＹ位置を計測する。図９は、ウエハ回転後の動作をＸＹ平面、およびＺ方向から説明した図である。上記ステップＳ２３０では、ステップＳ２１０と同様に、チャックマークｃｍｋ１、ｃｍｋ２、ｃｍｋ３に対してそれぞれＸＹ位置計測およびＺ高さ計測を行い、チャックマークの平面を決定する。

次に、ステップＳ２４０で、第１のフォーカス計測を行ったウエハのそれぞれの位置に対して、マーク全体の中心（図９のｍｋ２の×印）のＸＹ位置が一致するようにウエハを位置合わせする。さらに、Ｚ高さは、ステージの走りがチャックマークの平面に合うように位置合わせする。この状態で第２のフォーカス計測を行う。

図１０は第２のフォーカス計測における図９のマークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３付近（Ｂ）の詳細を示した図である。実施形態２のそれぞれのマークはマーク全体の中心位置（ｍｋ２の×印）に対して対称に配置されているため、ウエハ回転後のｍｋ１は回転前のｍｋ３と同一の位置を計測している。つまり、計測すべき基準高さからのずれはＺ３である。また、回転後のｍｋ１に対するウエハ下地パターンの反射率が回転前のｍｋ３に対するパターンの反射率を反転したものになっている。
また、同様にウエハ回転後のｍｋ３は回転前のｍｋ１と同一の位置を計測しており、回転後のｍｋ３に対するパターンの反射率は回転前のｍｋ１に対するパターンの反射率を反転したものとなっている。

以上のことから、マークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３の光電変換素子上でのフォーカス計測信号は図１０（ｂ）のようになる。フォーカス計測値ｍｋ１（２）、ｍｋ２（３）、ｍｋ３（３）は数式５で表され、数式４と比べてウエハプロセスによる誤差Δ１、Δ２、Δ３が異符号となる。

次に、図６のステップＳ２５０では、マークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３のウエハ上の各位置における基準高さからのずれＺ１，Ｚ２、Ｚ３とウエハプロセス誤差Δ１、Δ２、Δ３を算出する。これらのずれおよび誤差は、数式４、数式５からそれぞれ数式６、数式７のように算出される。

最後に、図６のステップＳ２６０では、マークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３のウエハの各位置におけるウエハプロセスの誤差Δ１、Δ２、Δ３をオフセットとして持ち、ウエハ上に実際の露光を行う。すなわち、実際の露光時には、マークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３のウエハの各位置で第１のフォーカス計測値からオフセットΔ１、Δ２、Δ３を差し引く。これにより、ウエハプロセス誤差を低減したウエハの面位置検出が可能となる。

なお、本実施形態では、マークが奇数本（３本）の場合について説明したが、これに限らず、偶数本のマークであってもよい。例えば、マークが４本（順にｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３、ｍｋ４）であった場合には、複数マークの中心は図１１のｍｋ２とｍｋ３の間の×印となり、オフセットΔ１〜Δ４は数式８のようになる。

［実施形態３］
本発明の実施形態３は、前記フォーカス計測によるオフセット計測は、ロットの先頭ウエハに対して行うことを特徴とするものである。これは、ロット内ではパターンによるウエハプロセス誤差は安定していることを前提としている。つまり、ロットの先頭のウエハに対してフォーカス計測を行い、各マークの各スキャン位置におけるオフセットを求めておく。そうすれば、以降のウエハに関しては１枚目のオフセットを用いて修正を行うことで、スループットを低下させることなく、ウエハプロセス誤差を低減したウエハの面位置検出が可能となる。

［実施形態４］
本発明の実施形態４は、前記フォーカス計測によるオフセット計測は、ウエハプロセス毎に行うことを特徴とするものである。これは、工程ごとにウエハの下地パターンが異なるため、前記パターンによるオフセットも計測する必要があるためである。具体的にはウエハプロセスが変更されるごとに、そのウエハに対してフォーカス計測を行い、各マークの各スキャン位置におけるオフセットを求めておく。同一プロセスの以降のウエハに関してはオフセットを用いて修正を行うことで、スループットを低下させることなく、プロセス誤差を低減したウエハの面位置検出が可能となる。
さらに、本実施形態におけるフォーカス計測による前記オフセット計測は、レチクルに描画されているデバイスパターンごとに行ってもよい。

［実施形態５］
これまでの実施形態は、露光装置内でフォーカス計測を行い、オフセット計測を行うことに関するものであったが、これに限らず、前記オフセット計測は、露光装置とは別の装置で行ってもよい。具体的には、露光装置の外で、オフセット計測を行い、実際の露光シーケンスにはオフセット分の修正だけを行う。そうすれば、スループットを低下させることなく、ウエハプロセス誤差を低減したウエハの面位置検出が可能となる。
さらに、本実施形態におけるオフセット計測は、ひとつの露光装置に対してだけでなく、工場内の複数の露光装置に対して管理してもよい。これは、オフセット計測を、複数の露光装置に対して、別々に行っても良いし、露光装置の機差を小さくすることができれば、同じオフセット値を複数の露光装置に対して適用することも可能である。

［実施形態６］
本発明における実施形態６は、実施形態２のフォーカス検出系の構成に関するものである。実施形態２では、高入射角でウエハ面にマーク像を投影している。それ故に、３つのマークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３のうち、マーク全体の中心位置に関して対称な２つのマークｍｋ１、ｍｋ３の光学特性（デフォーカス特性）が異なる可能性がある。ｍｋ１とｍｋ３とで光学特性に違いが生じると、以下の問題が生じる。つまり、ｍｋ１における第１のフォーカス計測値ｍｋ１（１）と、ｍｋ３における第２のフォーカス計測値ｍｋ３（２）は、数式９に示すようにそれぞれのマークｍｋ１とｍｋ３の光学特性による誤差ε１、ε３を含むことになる。

数式９からは誤差ε１、ε３を消去したウエハプロセス誤差Δ１を導き出すことはできない。
従って、それぞれのマークの光学特性は同じにすることが好ましい。本実施形態では、図１２に示すように、投影光学系８０に関して、フォーカス検出用の複数マークが形成されているレチクル８２面とウエハ４０面とがシャインプルーフの関係にあるように構成されている。加えて受光光学系８１に関しても、ウエハ４０面と受光素子８３面とがシャインプルーフの関係にあるように構成されている。

上述した実施形態によれば、ウエハの反射率差などのウエハプロセス誤差が発生する状況下においても、ウエハプロセス誤差を軽減することができる。そのため、ウエハの面位置検出精度を向上させることができ、ひいては歩留まりを向上させることができる。特に、上述の実施形態によれば、露光せずにウエハ面のベストフォーカスを求めることができるため、ＴＡＴの短縮にも効果がある。

［実施形態７］
なお、これまで説明してきた実施形態は、装置コストを抑制しながら、ウエハプロセス誤差を低減したフォーカス検出系の提案であった。本実施形態は、今後、コストよりもウエハプロセスの複雑化に伴い、１枚ごとウエハを計測する必要性が生じた場合に好適なものである。また、露光装置の構成が、例えばツインステージのように、露光ステーションと計測ステーションが分離されていて、計測ステーションでフォーカス検出用の光学系配置の制約がなくなる場合に好適なものである。
すなわち、特許文献３のように、上記実施形態の受光側にもう一つの投光系、投光側にもう一つの受光系を配置し、二方向からウエハの特定場所へ入射させて、第１および第２のフォーカス計測を行い、オフセットを算出する。
この方式は、スループットの面から、ウエハを回転させるよりも有利であり、上記実施態様と同様の効果が得られるのは自明である。

［実施形態８］
今まで説明してきた実施形態は、ウエハの面位置検出（フォーカス、チルト）に関するものである。しかし、ウエハチャックマーク計測時に、ＸＹ位置も計測しているため、チャックマーク基準でウエハ上のＸＹ位置ずれ検出用のマーク（アライメントマーク）も、アライメント光学系７０を用いて計測可能である。従って、ウエハの１８０度回転前後の同一計測場所でのアライメント計測値を用いて、アライメント光学系の誤差（ＴＩＳ）をキャンセルすることもできる。

［デバイス製造方法の実施形態］
次に、図１５および図１６を参照して、上述の露光装置１を利用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。図１５は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
図１６は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウエハ上にイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

本発明の実施形態１を説明するフロー図。 実施形態１をＸＹ平面およびＺ方向から説明した図。 図２におけるマークｍｋ付近の詳細を示した図。 実施形態１におけるウエハ回転後の動作をＸＹ平面およびＺ方向から説明した図。 図４におけるマークｍｋ付近の詳細を示した図。 本発明の実施形態２を説明するフロー図。 第２の実施形態をＸＹ平面およびＺ方向から説明した図。 図７におけるマークｍｋ付近の詳細を示した図。 実施形態２におけるウエハか移転後の動作をＸＹ平面およびＺ方向から説明した図。 図９におけるマークｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３付近の詳細を示した図。 本発明においてフォーカス検出用マークが４本の場合のマークの配置を示した図。 本発明の実施形態におけるフォーカス検出系の構成を示す図。 本発明の実施形態における半導体露光装置の全体的な構成を説明する図。 ウエハ上のパターンの反射率差による計測誤差を説明する図。 本発明に係る露光装置によるデバイス製造プロセスを説明するフロー図。 図１５のウエハプロセスを説明するフロー図。

符号の説明

１ 露光装置
１０ 照明装置
２０ レチクル
２５ レチクルステージ
３０ 投影光学系
４０ ウエハ
４５ ウエハステージ
５０ フォーカスチルト検出系
６０ 制御部
７０ アライメント検出系
ｃｍｋ１、ｃｍｋ２、ｃｍｋ３ チャックマーク
ｍｋ１、ｍｋ２、ｍｋ３、ｍｋ４ フォーカス計測用マーク

Claims (17)

1. 被処理基板の所定場所に計測光を照射し、その反射光を受光素子で検出し、該受光素子からの信号を用いて、該被処理基板における該所定場所の面位置を計測する面位置計測方法において、
   前記被処理基板を保持する基板保持手段には基準マークが配置されており、
   前記所定場所を所定の計測光照射位置に位置合わせして第１の面位置計測を行う工程と、
   該所定場所の前記基準マークとの相対位置を求める工程と、
   該基板保持手段を面位置計側方向と垂直な面内で１８０度回転させる工程と、
   前記基準マークとの相対位置に基づき前記所定場所を前記照射位置に位置合わせして第２の面位置計測を行う工程と、
   第１の面位置計測値と第２の面位置計測値とに基づいて、前記照射位置での前記所定場所における面位置計測のオフセットを求める工程と
   を有することを特徴とする面位置計測方法。
2. 前記計測光は、複数の計測光束が前記所定場所に線または点対称に配置される複数の照射位置に対して照射され、前記第２の面位置計測時の前記位置合わせは、各計測光束が第１の面位置計測時と対称な照射位置に照射されるように行われ、前記オフセットは、複数の照射位置の個々について求められることを特徴とする請求項１に記載の面位置計測方法。
3. 前記計測光は、前記照射位置に面位置計測用マークを投影する光であることを特徴とする請求項１または２に記載の面位置計測方法。
4. 前記オフセットを求めるための面位置計測は、ロットの先頭の被処理基板に対して行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面位置計測方法。
5. 前記オフセットを求めるための面位置計測は、被処理基板を処理する工程毎に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面位置計測方法。
6. 前記オフセットを求めるための面位置計測は、被処理基板に形成されるパターン毎に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面位置計測方法。
7. 原版に形成されたパターンを投影光学系を介して被露光基板上のパターンと位置合わせして露光する投影露光装置の基板保持手段に保持された前記被露光基板の所定場所に計測光を照射し、その反射光を受光素子で検出し、該受光素子からの信号を用いて、該被露光基板における該所定場所の面位置を計測する面位置計測装置において、
   前記基板保持手段に配置された基準マークと、
   前記被露光基板の所定場所を前記計測光の照射位置に位置合わせして第１の面位置計測を行い、かつ該所定場所の前記基準マークとの相対位置を計測し、さらに前記基板保持手段を面位置計側方向と垂直な面内で１８０度回転させた後、前記基準マークとの相対位置に基づき前記所定場所を前記照射位置に位置合わせして第２の面位置計測を行う制御手段と、
   第１の面位置計測値と第２の面位置計測値とに基づいて、前記照射位置での前記所定場所における面位置計測オフセットを算出する手段と
   を有することを特徴とする面位置計測装置。
8. 前記計測光は、複数の計測光束が前記所定場所に線または点対称に配置される複数の照射位置に対して照射され、前記第２の面位置計測時の前記位置合わせは、各計測光束が第１の面位置計測時と対称な照射位置に照射されるように行われ、前記オフセットは、複数の照射位置の個々について算出されることを特徴とする請求項７に記載の面位置計測装置。
9. 前記計測光は、前記照射位置に面位置計測用マークを投影する光であることを特徴とする請求項７または８に記載の面位置計測装置。
10. 原版に形成されたパターンを投影光学系を介して被露光基板上のパターンと位置合わせして露光する際、
    前記投影光学系の像面に対する前記被露光基板の面位置を計測し、その計測値を請求項１〜６のいずれか１つに記載の面位置計測方法におけるオフセットを用いて修正した値に基づいて前記被露光基板の面位置を制御して露光する工程を有することを特徴とする露光方法。
11. 前記計測光は、非露光光であることを特徴とする請求項１０に記載の露光方法。
12. 請求項７〜９のいずれか１つに記載の面位置計測装置を備え、
    原版に形成されたパターンを投影光学系を介して被露光基板上のパターンと位置合わせして露光する際、
    前記投影光学系の像面に対する前記被露光基板の面位置を計測し、その計測値を前記オフセットを用いて修正した値に基づいて前記被露光基板の面位置を制御して露光することを特徴とする露光装置。
13. 前記計測光は、非露光光であることを特徴とする請求項１２に記載の露光装置。
14. 基準マークを配置された基板保持手段と、
    該基板保持手段に保持された被処理基板の所定場所に計測光を照射し、その反射光を受光素子で検出し、該受光素子からの信号を用いて、該被処理基板における該所定場所の面位置を計測する面位置計測手段と、
    前記被処理基板の所定場所を前記計測光の照射位置に位置合わせする手段と、
    該所定場所の前記基準マークとの相対位置を計測する手段と、
    前記基板保持手段、面位置計測手段、位置合わせ手段および相対位置計測手段を制御して、前記被処理基板の所定場所を前記計測光の照射位置に位置合わせして第１の面位置計測を行い、かつ該所定場所の前記基準マークとの相対位置を計測し、さらに前記基板保持手段を面位置計側方向と垂直な面内で１８０度回転させた後、前記基準マークとの相対位置に基づき前記所定場所を前記照射位置に位置合わせして第２の面位置計測を行う制御手段と、
    第１の面位置計測値と第２の面位置計測値とに基づいて、前記照射位置での前記所定場所における面位置計測オフセットを算出する手段と
    を有することを特徴とするオフセット計測装置。
15. 前記計測光は、複数の計測光束が前記所定場所に線または点対称に配置される複数の照射位置に対して照射され、前記第２の面位置計測時の前記位置合わせは、各計測光束が第１の面位置計測時と対称な照射位置に照射されるように行われ、前記オフセットは、複数の照射位置の個々について算出されることを特徴とする請求項１４に記載のオフセット計測装置。
16. 前記計測光は、前記照射位置に面位置計測用マークを投影する光であることを特徴とする請求項１４または１５に記載のオフセット計測装置。
17. 請求項１０もしくは１１に記載の露光方法または請求項１２もしくは１３に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、露光した前記基板を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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