JPH0992591A

JPH0992591A - 位置合わせ方法

Info

Publication number: JPH0992591A
Application number: JP7243133A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kawakubo; 昌治川久保; Hiromitsu Iwata; 浩満岩田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】ＦＩＡ方式（撮像方式）のようなアライメン
トセンサを使用して位置合わせを行う場合に、スループ
ットを大きく低下させることなく、位置合わせ精度を向
上する。【解決手段】１ロット内の複数のウエハに対してＦＩ
Ａ系、及びＬＩＡ系を用いてＥＧＡ方式のアライメント
を行い、オフセットについて両方式で求めたパラメータ
の差Ｓｉの平均値Ｓｍ、及び標準偏差Ｓｖを求め（ステ
ップ１０４〜１０６）、オフセットについてはＬＩＡパ
ラメータ、それ以外のパラメータについてはＦＩＡパラ
メータを使用して位置合わせを行う（ステップ１０７，
１０８）。標準偏差Ｓｖが許容値ＳＬ以下になってから
は、ＦＩＡ系のみを用いてＥＧＡ方式のアライメントを
行い、オフセットについてはＦＩＡパラメータを記憶し
てある平均値Ｓｍで補正する（ステップ１１４，１１
５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程で使用さ
れる露光装置において、マスクパターンと感光基板上の
各ショット領域とを位置合わせ（アライメント）するた
めの位置合わせ方法に関し、特に統計的手法を用いて予
測した配列座標に基づいて各ショット領域の位置決めを
行う場合に適用して卓効ある位置合わせ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体素子は、ウエハ上に例えば
数層〜十数層の回路パターンを重ね合わせて形成される
ので、ステッパー等の投影露光装置で２層目以降の回路
パターンをウエハ上に投影露光する際には、ウエハ上で
既に回路パターンが形成された各ショット領域とこれか
ら露光するマスクとしてのレチクルのパターン像との位
置合わせ、即ちウエハとレチクルとの位置合わせ（アラ
イメント）を高精度に行う必要がある。斯かる位置合わ
せを行うためのアライメント装置は、ウエハ上の各ショ
ット領域に付設されたアライメントマーク（ウエハマー
ク）の位置を検出して光電信号を生成するアライメント
センサと、その光電信号を処理してそのウエハマークの
本来の位置からのずれ量を求める信号処理系と、求めた
ずれ量に応じてウエハ、又はレチクルの位置を補正する
位置決め機構と、から構成されている。

【０００３】そのアライメントセンサの方式には、大別
して、レチクル上のアライメントマーク（レチクルマー
ク）と、ウエハマークとを投影光学系を介して同時に観
察（検出）するＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式
と、レチクルマークは検出せずに投影光学系を介してウ
エハマークだけを検出するＴＴＬ（スルー・ザ・レン
ズ）方式と、投影光学系から離れた検出系を介してウエ
ハマークだけを検出するオフ・アクシス方式とがある。

【０００４】これらの内で、ＴＴＲ方式、又はＴＴＬ方
式に関しては、投影光学系を介してウエハマークを検出
すると共に、投影光学系は露光光に対して最も色収差が
良くなるように設計されているため、望ましい光はレー
ザビーム（単色光）、又は露光光と同じ程度の波長域の
準単色光（例えば水銀ランプのｇ線、ｉ線等の輝線スペ
クトル）である。従って、ＴＴＲ方式、又はＴＴＬ方式
のアライメントセンサとしては、ドット列パターン状の
ウエハマークとスリット状に集光されるレーザビームと
を相対走査し、所定方向に発生する回折光を検出するこ
とによりそのウエハマークの位置を検出するレーザ・ス
テップ・アライメント（以下、「ＬＳＡ」と言う）方
式、又は回折格子状のウエハマークに対して複数方向か
らレーザビームを照射し、そのウエハマークから同一方
向に射出される複数の回折光の干渉光の位相よりそのウ
エハマークの位置を検出する２光束干渉方式（以下、
「ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignment ）方式」
と言う）のように、検出光としてレーザビームを使用す
るものが主に使用されている。ＬＳＡ方式、及びＬＩＡ
方式のアライメントセンサは、例えば特開平２−２７２
３０５号公報に開示されている。

【０００５】一方、オフ・アクシス方式では、投影光学
系による制限が無いため、ウエハマークの照明光はどの
ようなものであってもよいため、上述のＬＳＡ方式、又
はＬＩＡ方式のアライメントセンサも使用できる。更
に、オフ・アクシス方式としては、ハロゲンランプ等か
らの所定の帯域幅（例えば幅２００ｎｍ程度）の照明光
（ブロードバンド光）でウエハマークを照明し、このウ
エハマークの像を撮像して得られる撮像信号を画像処理
してウエハマークの位置を求める画像処理方式（以下、
「ＦＩＡ（Field Image Alignment)方式」と呼ぶ）のア
ライメントセンサも使用されている。

【０００６】また、それらのアライメント装置を用いて
ウエハの各ショット領域のアライメントを行う方法とし
て、エンハンスト・グローバル・アライメント（以下、
「ＥＧＡ」と言う）方式のアライメント方法が提案され
ている（例えば特開昭６１−４４４２９号公報参照）。
このＥＧＡ方式では、ウエハ上の多数のショット領域中
から選択されたショット領域（サンプルショット）に付
設されたウエハマークの位置を検出し、この検出結果を
統計処理することにより、ウエハ上の各ショット領域の
座標位置が算出され、この算出された座標位置に基づい
て各ショット領域の位置決めが行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来のアラ
イメントセンサの内で、ＦＩＡ方式のアライメントセン
サは、広帯域の照明光を使用するため、ウエハ上に塗布
されたフォトレジスト層での薄膜干渉の影響を受けにく
いと共に、ウエハマークの非対称性の影響を受けにくい
という利点がある。そのため、特にウエハマークの非対
称性が大きい場合や、薄膜干渉の影響を避けたい場合等
には、ウエハマークの位置計測をＦＩＡ方式のアライメ
ントセンサで行うことが望ましい。

【０００８】しかしながら、ＦＩＡ方式のアライメント
センサでは、広帯域の照明光を使用するため、光学系の
製造誤差等に起因して僅かに残留してしまう収差（色収
差等）によって、プロセスウエハの種類によってはウエ
ハマークの位置の検出結果に若干のオフセット（プロセ
スオフセット）が重畳される可能性があるという不都合
がある。

【０００９】また、上述のＥＧＡ方式でアライメントを
行う際にも、特にウエハマークの非対称性が大きい場合
や、薄膜干渉の影響を避けたい場合等には、アライメン
トセンサとしてはＦＩＡ方式を使用することが望まし
い。しかしながら、この場合にもプロセスウエハの種類
によっては検出結果にプロセスオフセットが重畳される
可能性がある。更に、ＥＧＡ方式は位置決め精度とスル
ープット（単位時間当りのウエハの処理枚数）との両方
を高める方式であるため、そのプロセスオフセットの影
響を除くためにスループットが大きく低下するのは望ま
しくない。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、例えばＦＩＡ方
式（撮像方式）のようなアライメントセンサを使用して
位置合わせを行う場合に、スループットを大きく低下さ
せることなく、位置合わせ精度を向上できる位置合わせ
方法を提供することを目的とする。更に本発明は、例え
ばＦＩＡ方式のようなアライメントセンサを使用してＥ
ＧＡ方式でアライメントを行う際に、スループットを大
きく低下させることなく、位置合わせ精度を向上できる
位置合わせ方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の位置
合わせ方法は、Ｎ枚（Ｎは３以上の整数）の基板に対し
て、順次それら基板上の複数のショット領域から選択さ
れた計測ショットの計測された配列座標に基づいて、そ
れら複数のショット領域のそれぞれを所定の基準位置に
位置決めする位置合わせ方法において、それらＮ枚の基
板の最初の基板より順次２つのアライメントセンサ（１
０，３６）を用いてそれら計測ショットの座標位置を計
測し（ステップ１０４，１０５）、それぞれのアライメ
ントセンサ（１０，３６）による計測値の差のばらつき
（Ｓｖ）を求め（ステップ１０６）、Ｊ枚目（Ｊは１以
上で（Ｎ−１）以下の整数）までの基板についての２つ
のアライメントセンサ（１０，３６）の計測値の差のば
らつき（標準偏差Ｓｖ、レンジ等）が所定の許容値（Ｓ
Ｌ）以下になったときに、（Ｊ＋１）枚目以降の基板に
ついては２つのアライメントセンサ（１０，３６）の内
の一方（３６）の計測値、及びそれまでに求められた２
つのアライメントセンサ（１０，３６）の計測値の差に
基づいてそれら複数のショット領域の位置決めを行う
（ステップ１１５）ものである。

【００１２】斯かる本発明によれば、ダイ・バイ・ダイ
方式、又はＥＧＡ方式等で位置合わせを行う際に、処理
対象とするＮ枚の基板の先頭からＪ枚の基板について
は、例えば撮像方式（ＦＩＡ方式）の第１のアライメン
トセンサ（３６）と、例えばＬＩＡ方式の第２のアライ
メントセンサ（１０）とで計測を行って、例えばオフセ
ットについては、その第２のアライメントセンサ（１
０）の計測値を用いるため、そのオフセットの計測結果
の差Ｓｉ、この差Ｓｉの平均値Ｓｍ、及びその差Ｓｉの
例えば標準偏差Ｓｖを求めて記憶する。

【００１３】この際に、予めそのＮ枚の基板を処理する
ためのプロセスに応じて２種類のアライメントセンサ
（１０，３６）で計測を行う最低の基板の枚数Ｋと、そ
の差Ｓｉの標準偏差Ｓｖの許容値ＳＬとを入力してお
く。アライメント誤差の許容値は各プロセス毎に異なる
ので、その差Ｓｉのばらつきの許容値ＳＬも異なり、許
容値ＳＬの希望値はプロセス毎に決定される。そして、
Ｋ枚の基板の計測終了後、その差Ｓｉの標準偏差Ｓｖに
ついて、Ｓｖ≦ＳＬであれば、（Ｋ＋１）枚目以降の基
板の位置合わせ行うときは、第１のアライメントセンサ
（３６）のみを使って計測を行い、オフセットのみは記
憶した平均値Ｓｍで補正する。一方、Ｓｖ＞ＳＬであれ
ば、（Ｋ＋１）枚目以降のウエハについても、Ｓｖ≦Ｓ
Ｌを満たすまでは２種類のアライメントセンサ（１０，
３６）を用いてアライメントを行う。これによって、ス
ループットをあまり低下させることなく位置合わせ精度
を高くできる。

【００１４】本発明による第２の位置合わせ方法は、Ｎ
枚（Ｎは３以上の整数）の基板のそれぞれに対して、そ
れら基板上に２次元的に配列された複数のショット領域
の内、予め選択された少なくとも３つの計測ショット
（Ｓ₁〜Ｓ₈)のそれら基板の移動位置を規定する静止座
標系（Ｘ，Ｙ）上における座標位置を計測し、この計測
結果を統計演算することによってそれら複数のショット
領域のそれぞれの静止座標系（Ｘ，Ｙ）上における座標
位置を算出し、このように算出された座標位置に基づい
てそれら複数のショット領域のそれぞれを所定の基準位
置に対して順次位置合わせする方法において、そのＮ枚
の基板の内のＪ枚目（Ｊは２以上で（Ｎ−１）以下の整
数）までの基板の内の少なくとも１枚については、２つ
のアライメントセンサ（１０，３６）を使ってそれら計
測ショットの座標位置の計測を行うと共に、それぞれの
アライメントセンサ（１０，３６）での計測値の統計演
算結果の差を求めて記憶し（ステップ１０４〜１０
６）、（Ｊ＋１）枚目以降の基板に対して、２つのアラ
イメントセンサ（１０，３６）の内の一方（３６）のみ
でそれら計測ショットの座標位置の計測を行い、この計
測結果を統計演算した結果を、既に記憶されている２つ
のアライメントセンサ（１０，３６）での計測値の統計
演算結果の差で補正し、この補正結果に基づいてその
（Ｊ＋１）枚目以降の基板の複数のショット領域のそれ
ぞれを位置合わせし（ステップ１１４〜１１６）、その
Ｊ枚目の基板の判定を行うために、そのＪ枚目までの基
板についての２つのアライメントセンサ（１０，３６）
の一方、又は両方の計測値のばらつきを用いる（ステッ
プ１１１）ものである。

【００１５】斯かる本発明の第２の位置合わせ方法は、
例えばＥＧＡ方式で位置合わせを行う場合に関するもの
である。この場合、例えば先頭からＪ枚目までの基板に
ついては２種類のアライメントセンサ（１０，３６）を
使って同一の計測ショット（サンプルショット）の配列
でＥＧＡ方式でアライメントを行う。そして、両センサ
の計測値について統計演算処理を行ってＥＧＡパラメー
タ値を計算し、その中の例えばオフセットのパラメータ
については、２つのセンサ間の差Ｓｉを求め、差Ｓｉの
平均値Ｓｍ、及び例えば標準偏差Ｓｖを求めて記憶す
る。そして、所定枚数の計測終了後、オフセットの差Ｓ
ｉの標準偏差Ｓｖが所定の許容値ＳＬ以下であれば、
（Ｊ＋１）枚目以降のウエハを露光するときは第１のア
ライメントセンサのみを使ってＥＧＡ方式でアライメン
トを行い、オフセットのみは記憶した平均値Ｓｍで補正
する。また、そのＪ枚目の判定は、例えば初めてその標
準偏差Ｓｖがその許容値ＳＬ以下になるときの基板の枚
数とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置合わせ方
法の第１の実施の形態につき図面を参照して説明する。
図２は本例で使用されるステッパー型の投影露光装置の
要部の構成を示し、この図２において、露光用の照明光
（水銀ランプからのｇ線、ｉ線、あるいはエキシマレー
ザ光源からの紫外線パルス光等）ＩＬはコンデンサーレ
ンズＣＬを介してレチクルＲのパターン領域ＰＡを均一
な照度分布で照射する。パターン領域ＰＡを通った照明
光ＩＬは、例えば両側（片側でもよい）テレセントリッ
クな投影光学系ＰＬに入射し、ウエハＷに達する。投影
光学系ＰＬは照明光ＩＬの波長に関して最良に収差補正
されており、その波長のもとでレチクルＲとウエハＷと
は互いに共役になっている。以下では、投影光学系ＰＬ
の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で
図２の紙面に平行にＸ軸を取り、図２の紙面に垂直にＹ
軸を取って説明する。

【００１７】さて、レチクルＲは２次元的に微動可能な
レチクルステージＲＳに保持され、レチクルＲはその周
辺に形成されたレチクルアライメントマークがミラー１
６、対物レンズ１７、マーク検出系１８からなるレチク
ルアライメント系で検出されることによって、投影光学
系ＰＬの光軸ＡＸに関して位置決めされる。一方、ウエ
ハＷは駆動系１３によって２次元的に移動するウエハス
テージＳＴ上に載置され、ウエハステージＳＴの座標値
は干渉計１２により逐次計測される。ステージコントロ
ーラ１４は干渉計１２からの座標計測値等に基づいて駆
動系１３を制御して、ウエハステージＳＴの移動や位置
決めを制御する。ウエハステージＳＴ上にはベースライ
ン計測等で使用する基準マークＦＭが設けられている。
ベースライン計測とは、アライメントセンサの検出中心
と、投影光学系ＰＬの露光フィールドの中心との間隔
（ベースライン）の計測を行うことであり、本例ではそ
のベースラインは予め求められている。

【００１８】次に、本例でウエハＷ上の各ショット領域
に付設されているアライメントマークとしてのウエハマ
ークにつき説明する。図３（ａ）はウエハＷ上の１つの
ショット領域Ｓ_nと、このショット領域Ｓ_nに付設され
たウエハマークＭＸ_n，ＭＹ_nとの位置関係を示し、こ
の図３（ａ）において、ショット領域Ｓ_nの４辺はスク
ライブラインＳＣＬで囲まれ、スクライブラインＳＣＬ
の直交する２辺のそれぞれの中心部分にＸ方向に所定ピ
ッチで配列されたウエハマークＭＸ_n、及びＹ方向に所
定ピッチで配列されたウエハマークＭＹ_nが形成されて
いる。ショット領域Ｓ_nの中心点ＳＣは、露光時には投
影光学系ＰＬの光軸ＡＸ上にある。そして、ウエハマー
クＭＸ_n，ＭＹ_nはそれぞれ中心ＳＣを原点にＸ方向、
Ｙ方向のそれぞれに伸びた直線ＣＸ，ＣＹ上に位置す
る。ウエハマークＭＸ_nはＸ方向の位置検出に使われ、
ウエハマークＭＹ_nはＹ方向の位置検出に使われ、それ
ぞれ複数本の線状パターンを平行に並べたマルチマーク
となっている。

【００１９】図３（ｂ）はウエハマークＭＸ_nの拡大図
であり、Ｙ方向に伸びた５本の線状パターンＰ₁，
Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄，Ｐ₅がＸ方向にほぼ一定のピッチで
配列されている。図３（ｃ）はそのウエハマークＭＸ_n
のＸ方向の断面構造を示し、ここでは５本の線状パター
ンＰ₁〜Ｐ₅はウエハＷの下地から突出した凸状に形成
され、その上面はフォトレジスト層ＰＲで被覆されてい
る。図３（ａ）にも示したように、ショット領域Ｓ_nの
中心ＳＣを通るＹ軸と平行な直線ＣＸはウエハマークＭ
Ｘ_nの中央の線状パターンＰ₃の幅中心を通るものとす
る。なお、ウエハマークＭＹ_nに関しても同様で、５本
の線状パターンからなり、中央の線状パターンの中心線
が直線ＣＹと一致している。

【００２０】図２に戻り、本例では、第１のアライメン
トセンサとしてのオフ・アクシス方式でＦＩＡ方式（撮
像方式）のアライメントセンサ（以下、「ＦＩＡ系」と
呼ぶ）３６と、第２のアライメントセンサとしてのＴＴ
Ｌ方式でＬＩＡ方式（２光束干渉方式）のアライメント
センサ（以下、「ＬＩＡ系」と呼ぶ）１０とが設けられ
ている。本例では、図３に示すウエハマークＭＸ_n，Ｍ
Ｙ_nをＴＴＬ方式のＬＩＡ系１０と、オフ・アクシス方
式のＦＩＡ系３６とで共通に検出対象とする。なお、Ｌ
ＩＡ系１０とＦＩＡ系３６とで検出対象とするウエハマ
ークを別にしてもよい。この場合、異なる種類のウエハ
マークの位置ずれ量が予め求められていれば問題は無
い。

【００２１】次にアライメントセンサの構成につき詳細
に説明する。先ず、後者のＬＩＡ系１０において、レー
ザ光源１からのレーザビームＬＢはＨｅ−Ｎｅレーザ光
等の赤色単色光で、ウエハＷ上のフォトレジスト層に対
して非感光性である。このレーザビームＬＢは音響光学
変調素子等を含むヘテロダインビーム生成光学系２に入
射し、ヘテロダインビーム生成光学系２から周波数が僅
かに異なり互いに可干渉の２本のレーザビームＬＢ１及
びＬＢ２が所定の交差角で射出される。

【００２２】射出された２本のレーザビームＬＢ１，Ｌ
Ｂ２は、ミラー３ａ、レンズ系４を経て一度フーリエ変
換された後、ミラー３ｂ、対物レンズ６を経て逆フーリ
エ変換された後、レチクルＲの下方に４５°の傾斜角で
斜設されたミラー７で反射されて投影光学系ＰＬの視野
の周辺に入射する。そして、レーザビームＬＢ１，ＬＢ
２は投影光学系ＰＬの瞳ＥＰ付近で再びフーリエ変換さ
れた後、それぞれ平行光束としてウエハＷ上にＸＺ平面
内で所定の交差角で入射する。この場合、ミラー７はレ
チクルＲのパターン領域ＰＡの周辺よりも外側で、且つ
投影光学系ＰＬの視野内にあるように固定される。従っ
て、ウエハＷ上で交差するレーザビームＬＢ１，ＬＢ２
は、パターン領域ＰＡの投影像の外側に位置する。この
交差する１対のレーザビームによってウエハＷの各ショ
ット領域に付設された回折格子状のウエハマークのＸ方
向の位置を検出するには、そのウエハマークのピッチと
２つのレーザビームの交差角とを所定の関係にして、そ
のウエハマークから回折格子が同一方向に射出されるよ
うにする。

【００２３】図５は、ウエハＷ上の所定のウエハマーク
ＭＸ_nに２本のレーザビームＬＢ１，ＬＢ２が対称に照
射されている状態を示し、この図５において、ウエハマ
ークＭＸ_nから一方のレーザビームＬＢ１の＋１次回折
光と他方のレーザビームＬＢ２の−１次回折光とよりな
る回折光ＬＢ３が垂直上方に射出されている。レーザビ
ームＬＢ１及びＬＢ２は周波数が僅かに異なる可干渉光
であるため、回折光ＬＢ３は、その周波数差をビート周
波数として光強度が変化するヘテロダインビームであ
る。また、そのウエハマークＭＸ_nのＸ方向の位置に応
じてその回折光ＬＢ３の位相が変化するため、その回折
光ＬＢ３を光電変換して得られるビート信号の位相を、
例えば参照用のヘテロダインビームを光電変換して得ら
れるビート信号の位相と比較することにより、そのウエ
ハマークＭＸ_nのＸ方向の位置が極めて高い分解能（例
えば数ｎｍ程度）で求められる。

【００２４】図２に戻り、ウエハＷ上のウエハマークか
らほぼ垂直上方に発生する回折光は、投影光学系ＰＬ、
ミラー７、対物レンズ６、及びミラー３ｂを経て、２本
の入射側のレーザビームＬＢ１，ＬＢ２の間に配置され
た小型のミラー５で反射されて、受光素子８に達する。
受光素子８で光電変換して得られるビート信号は、干渉
計１２からのウエハステージＳＴの位置計測信号ＰＤＳ
と共に、ＬＩＡ演算ユニット９に供給される。ＬＩＡ演
算ユニット９には、ヘテロダインビーム生成光学系２内
で生成される基準のヘテロダインビームを光電変換して
得られる参照ビート信号も供給され、ＬＩＡ演算ユニッ
ト９では２つのビート信号の位相を比較して、計測対象
のウエハマークのＸ方向への位置の情報ＡＰ₁を求め、
この情報を主制御系５０に供給する。

【００２５】このとき、例えば基準ビート信号の位相と
ウエハマークに対応するビート信号の位相とが合致して
いるときには、例えばウエハステージＳＴのＸ座標が、
そのままそのウエハマークのＸ座標となり、基準ビート
信号とウエハマークに対応するビート信号との位相がず
れているときには、その位相のずれ量を変位に換算した
値に、そのウエハステージＳＴのＸ座標を加算した座標
がそのウエハマークのＸ座標となる。また、ビート信号
の位相はウエハマークの例えば１／２ピッチ周期で３６
０°変化するため、予めサーチアライメント（後述）等
により例えばウエハマークの１／２ピッチ以下の精度で
ウエハＷの位置決めを行う必要がある。

【００２６】以上において、レーザ光源１、ヘテロダイ
ンビーム生成光学系２、ミラー３ａ，３ｂ、レンズ系
４、ミラー５、対物レンズ６、ミラー７、受光素子８、
ＬＩＡ演算ユニット９、及び投影光学系ＰＬが、ウエハ
Ｗに対するＬＩＡ系１０を構成する。なお、このＬＩＡ
系１０はＸ軸用のウエハマークの位置を検出するための
アライメントセンサであり、同一構成でＹ軸用のウエハ
マークのＹ方向の位置を検出するためのＬＩＡ系（不図
示）も備えられている。

【００２７】次に、第１のアライメントセンサとしての
ＦＩＡ系３６において、ハロゲンランプ２０から発生し
た広帯域の光は、コンデンサーレンズ２１によって光ガ
イド２２の一端面に集光される。光ガイド２２を通った
光は、フォトレジスト層の感光波長（短波長）域と赤外
波長域とをカットするフィルター２３を通って、レンズ
系２４を介してハーフミラー２５に達する。ここで反射
された照明光は、ミラー２６でほぼ水平に反射された
後、対物レンズ２７に入射し、更に投影光学系ＰＬの鏡
筒下部の周辺に投影光学系ＰＬの視野を遮光しないよう
に固定されたプリズム（ミラー）２８で反射されてウエ
ハＷをほぼ垂直に照射する。ここでは図示していない
が、光ガイド２２の射出端から対物レンズ２７までの光
路中には、適当な照明視野絞りが対物レンズ２７に関し
てウエハＷと共役な位置に設けられる。また、対物レン
ズ２７はテレセントリック系とし、その開口絞り（瞳と
同じ）の面２７ａには光ガイド２２の射出端の像が形成
され、ケーラー照明が行われる。対物レンズ２７の光軸
はウエハＷ上では垂直となるように定められ、マーク検
出時に光軸の倒れによるマーク位置のずれが生じないよ
うになっている。

【００２８】さて、ウエハＷからの反射光は対物レンズ
２８、ハーフミラー２５を通り、レンズ系２９によって
指標板３０に結像される。この指標板３０は対物レンズ
２７とレンズ系２９とによってウエハＷと共役に配置さ
れ、矩形の透明窓内にＸ方向とＹ方向とのそれぞれに伸
びた直線状の指標マークを有する。従って、ウエハＷ上
のウエハマークの像は指標板３０の透明窓内に結像さ
れ、このウエハマーク像及び指標マークからの光束は、
第１リレー系３１を経てハーフミラー３２に入射し、ハ
ーフミラー３２で２分割された光束が第２リレー系３３
Ｘ及びＳＳＹを介してそれぞれＣＣＤカメラ等の撮像素
子３４Ｘ及び３４Ｙ上に結像する。撮像素子３４Ｘ，３
４Ｙからの撮像信号はＦＩＡ（フィールド・イメージ・
アライメント）演算ユニット３５に、干渉計１２からの
位置計測信号ＰＤＳと共に供給される。ＦＩＡ演算ユニ
ット３５は指標板３０上の指標マークに対するウエハマ
ーク像のずれを撮像信号の波形に基づいて求める。この
場合、Ｘ軸用の撮像素子３４Ｘからの撮像信号を処理す
ることによりウエハマークのＸ方向の位置が検出され、
Ｙ軸用の撮像素子３４Ｙからの撮像信号を処理すること
によりウエハマークのＹ方向の位置が検出される。

【００２９】図４はＸ軸用の撮像素子３４Ｘによって検
出されるウエハマークＭＸ_nの様子を示し、図４に示す
ように、検出すべきウエハマークＭＸ_nの像を指標板３
０（図２参照）上の指標マーク３０ａ，３０ｂの間に位
置決めし、そのときのウエハステージＳＴの精密なＸ方
向の位置ＸＡを求めておく。撮像素子３４Ｘはウエハマ
ークＭＸ_nの５本の線状パターンＰ₁〜Ｐ₅と指標マー
ク３０ａ，３０ｂとの像を走査線ＳＬに沿って電気的に
走査する。このとき、例えば１本の走査線だけではＳＮ
比の点で不利なので、破線で示したビデオサンプリング
領域ＶＳＡに入る複数の水平走査線によって得られる撮
像信号のレベルを水平方向の各画素毎に加算平均すると
よい。撮像信号には両側に指標マーク３０ａ，３０ｂの
それぞれに対した立上りと立下りとの波形部分があり、
これらの位置（画素上の位置）ＸＲ₁，ＸＲ₂は予め求
めてあり、その中点の位置ＸＲ₀も求めてある。

【００３０】一方、撮像素子３４ＸはウエハマークＭＸ
_nの明視野像を光電検出しているため、５本の線状パタ
ーンＰ₁〜Ｐ₅のそれぞれの左右の段差エッジでは光の
散乱によって対物レンズ２７へ戻る光が極端に減少す
る。このため、線状パターンＰ ₁〜Ｐ₅のそれぞれの左
エッジ、右エッジは黒い線のように撮像される。従っ
て、撮像信号上の波形は各線状パターンの左エッジ、右
エッジに対応した位置でボトムとなる。

【００３１】ＦＩＡ演算ユニット３５は、このような波
形に基づいてウエハマークＭＸ_n（パターンＰ₁〜
Ｐ₅）の中心（直線ＣＸ）のＸ方向の位置Ｘｍを計算す
る。更に詳しく述べるなら、ＦＩＡ演算ユニット３５は
パターンＰ₁〜Ｐ₅のそれぞれの中心位置を左、右のエ
ッジ位置に基づいて算出した後、５本の線状パターンＰ
₁〜Ｐ₅の各位置を加算して５で除算して、中心となる
べきＸ方向のマーク位置を検出する。

【００３２】そして、ＦＩＡ演算ユニット３５は先に求
めておいた位置ＸＲ₀とマーク計測位置Ｘｍとの差ΔＸ
Ｆ（＝ＸＲ₀−Ｘｍ）を算出し、ウエハステージＳＴが
位置決めされたときの位置ＸＡに差ΔＸＦを加えて得ら
れた値をマーク位置情報ＡＰ２として主制御系５０に出
力する。また、ＦＩＡ系３６において、フィルター２３
を通ったウエハＷの照明光は、ウエハＷ上のウエハマー
クを含む局所領域（ショット領域よりも小さい）をほぼ
均一な照度で照明し、波長域は２００ｎｍ程度の幅に定
められる。

【００３３】そして、ハロゲンランプ２０から符号順に
ＦＩＡ演算ユニット３５までの部材によって、ＦＩＡ系
３６が構成される。また、対物レンズ２７、レンズ系２
９、リレー系３１，３３Ｘ（又は３３Ｙ）によるテレセ
ントリック結像光学系には波長帯域幅で２００ｎｍ程度
の光が通るため、当然それに対応した色収差の補正を行
っておく必要がある。更に、対物レンズ２７のウエハ側
の開口数（N.A.）は投影光学系ＰＬの開口数よりも小さ
くしておくとよい。

【００３４】本例ではプリズム２８によって、対物レン
ズ２７の観察視野域を投影光学系ＰＬの鏡筒下面に一部
もぐり込ませ、極力投影光学系ＰＬの視野に近づけてい
る。一般にこの種の投影露光装置には、投影光学系ＰＬ
の結像面とウエハＷの表面との間隔（ずれ）を精密に検
出するフォーカスセンサと、ウエハＷ上のショット領域
の面と投影光学系ＰＬの結像面との相対的な傾きを検出
するレベリングセンサとが設けられている。このフォー
カスセンサやレベリングセンサは、投影光学系ＰＬの投
影視野が存在するウエハＷ上に斜めから赤外域の光束を
照射し、その反射光の受光位置のずれを求めてフォーカ
スとレベリングを行うように構成されている。この際
に、対物レンズ２７の開口数が小さいと、対物レンズ２
７の焦点深度が深くなり、そのフォーカスセンサの検出
結果により合焦を行うと、ほぼＦＩＡ系３６でも合焦状
態で検出が行われる。

【００３５】また、図２中の構成でオフ・アクシス方式
のＦＩＡ系３６の検出中心（指標板３０の中心の共役像
の位置）は投影光学系ＰＬの中心から離れているので、
干渉計１２の計測位置と投影光学系ＰＬの中心とを結ぶ
直線、即ち測長軸（測長ビーム中心線）上にそのＦＩＡ
系３６の検出中心を設けることによって、アッベ誤差
（ステージの傾きによる軸外エラー）を最小限に抑えて
いる。

【００３６】また、アライメント実行時はウエハの大ま
かな位置合せのためのサーチアライメント（グローバル
アライメント）と、高精度にアライメントするファイン
アライメントとを行う必要がある。このサーチアライメ
ントに関しては、例えば特開昭６０−１３０７４２号公
報に開示されているように、ＴＴＬ方式のアライメント
センサとオフ・アクシス方式のアライメントセンサとを
混用する方法もある。本例の装置では、通常は処理速度
の速いＴＴＬ方式のＬＩＡ系１０によってウエハ上の３
箇所、又は２箇所のウエハマークを検出してサーチアラ
イメントを行うシーケンスを採る。しかしながら、ウエ
ハ下地、又はフォトレジスト層の厚みや種類によってア
ライメントが正常に行われない場合（特にマーク検出が
うまくいかない場合）もあるので、オフ・アクシス方式
の広帯域幅の照明波長を用いたＦＩＡ系３６を使ってサ
ーチアライメントを実行するようにシーケンスを切換え
る手段も設けられている。この場合、ＴＴＬ方式のＬＩ
Ａ系１０でサーチアライメントを行うときのマーク検出
時間、マーク検出信号の大きさや歪み等を判定して、シ
ーケンスを切り換える。

【００３７】次に、ＴＴＬ方式のＬＩＡ系１０、オフ・
アクシス方式のＦＩＡ系３６、及びステージコントロー
ラ１４等を統轄制御する主制御系５０について説明す
る。主制御系５０は干渉計１２からの位置情報ＰＤＳを
常時入力しているものとする。アライメント（ＡＬＧ）
データ記憶部５０１は、ＬＩＡ演算ユニット９からのマ
ーク位置情報ＡＰ₁と、ＦＩＡ演算ユニット３５からの
マーク位置情報ＡＰ₂との両方を入力可能となってい
る。

【００３８】ＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アラ
イメント）演算ユニット５０２は、ＡＬＧデータ記憶部
５０１に記憶された各マーク位置情報に基づいて統計的
な演算手法によりウエハ上の実際のショット配列座標値
を算出するもので、その算出結果はシーケンスコントロ
ーラ５０６に送られる。詳しくは、特開昭６１−４４４
２９号公報に開示されている。

【００３９】露光（ＥＸＰ）ショットマップデータ部５
０３はウエハ上の露光すべきショット領域（正確にはこ
れに付設されたウエハマーク）の配列座標値の設計値を
格納し、この設計値はＥＧＡ演算ユニット５０２とシー
ケンスコントローラ５０６とに送られる。アライメント
（ＡＬＧ）ショットマップデータ部５０４はウエハ上の
計測対象とするショット領域（サンプルショット）の配
列座標値の設計値を格納し、この座標値はＥＧＡ演算ユ
ニット５０２とシーケンスコントローラ５０６とへ送ら
れる。補正データ記憶部５０５にはアライメント用の各
種データ、あるいは露光ショットに対する位置決めの補
正用のデータ等が格納され、これら補正データはＡＬＧ
データ記憶部５０１やシーケンスコントローラ５０６へ
送られる。シーケンスコントローラ５０６は上記各デー
タに基づいて、アライメント時やステップ・アンド・リ
ピート方式の露光時のウエハステージＳＴの移動を制御
するための一連の手順を決定する。

【００４０】次に本例の代表的なアライメントシーケン
スを説明する。ここでは高いスループットと、高いアラ
イメント精度との両立を得ることができるエンハンスト
・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）方式について説
明するが、詳細については特開昭６１−４４４２９号公
報に開示されているので、その原理についてはここでは
簡単に説明する。

【００４１】ＥＧＡ方式では、ウエハＷ上の複数個（例
えば３〜９個）のショット領域のウエハマークの位置を
計測し、その計測値に最小自乗近似法を適用して、ウエ
ハステージＳＴのステージ座標系、即ち干渉計１２によ
るＸ方向、及びＹ方向の計測値によって規定される座標
系（Ｘ，Ｙ）内でのウエハの微小回転誤差（ウエハロー
テーション）θ、ウエハ上のショット配列（又はウエハ
ステージＳＴの走り）の直交度ｗ、ウエハの線形な微小
伸縮による誤差（ウエハスケーリング）Ｒｘ，Ｒｙ、及
びウエハのＸ，Ｙ方向の微小位置ずれであるオフセット
Ｏｘ，Ｏｙのパラメータを求める。そして、それら各パ
ラメータを介して設計上のショット配列座標を実際に露
光すべきショット配列座標（ウエハステージＳＴのステ
ッピング位置座標）に変換して、ウエハ上の各ショット
領域Ｓ_nへレチクルＲのパターン領域ＰＡの像を重ね合
わせ露光していく。

【００４２】ここでウエハ上の各ショット領域Ｓ_nの設
計上の配列座標値を（Ｄｘｎ，Ｄｙｎ）とし、実際のス
テッピングにより位置決めするウエハの座標値、即ちそ
れら各ショット領域のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での配
列座標値を（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）とすると次の（数１）の
関係がある。

【００４３】

【数１】

【００４４】ここで変換行列Ａ，Ｏは、ウエハスケーリ
ングＲｘ，Ｒｙ、ウエハローテーションθ、直交度ｗ、
及びオフセットＯｘ，Ｏｙよりなる６個の変換パラメー
タを用いて、それぞれ近似的に次の（数２）、（数３）
で表される。

【００４５】

【数２】

【００４６】

【数３】

【００４７】そして、ウエハ上の複数のショット領域か
ら予め選択されたショット領域（サンプルショット）に
付設されたウエハマークの位置を計測する。この場合、
ｎ番目（ｎ＝１，２，…）のサンプルショットをもＳ_n
で表し、サンプルショットＳ _nに付設されたウエハマー
クＭＸ_n，ＭＹ_nの位置をアライメントセンサにより計
測して得られた配列座標値を（Ｍｘｎ，Ｍｙｎ）とす
る。次に、そのサンプルショットＳ_nの設計上の配列座
標（Ｄｘｎ，Ｄｙｎ）を（数１）に代入して得られる計
算上の配列座標値を（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）として、この配
列座標値（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）と実測値（Ｍｘｎ，Ｍｙ
ｎ）との誤差、即ちアライメント誤差（Ｅｘｎ，Ｅｙ
ｎ）（＝（Ｍｘｎ−Ｆｘｎ，Ｍｙｎ−Ｆｙｎ））を求め
る。その後、全てのサンプルショットについて求めたア
ライメント誤差の自乗和、即ち残留誤差成分が最小とな
るように、変換行列Ａ，Ｏの各パラメータの値を決定す
る。

【００４８】サンプルショットの個数をＭ個とすると、
その残留誤差成分は次の（数４）で表される。一例とし
て、その（数４）を６個の変換パラメータで偏微分した
結果をそれぞれ０とおいた連立方程式を解くことによ
り、それら６個の変換パラメータの値が求められ、変換
行列Ａ，Ｏが定まる。

【００４９】

【数４】

【００５０】こうして変換行列Ａ，Ｏが決まると、後
は設計上の配列座標（Ｄｘｎ，Ｄｙｎ）を（数１）に代
入して、配列座標（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）を求め、これに基
づいてウエハステージＳＴを位置決めして露光していけ
ばよい。ここで図２に示した主制御系５０に対応付けて
みると、ウエハ上の全部のショット領域の設計上の配列
座標値（Ｄｘｎ，Ｄｙｎ）はＥＸＰショットマップデー
タ部５０３に記憶され、サンプルショットの設計上の座
標値はＡＬＧショットマップデータ部５０４に記憶さ
れ、そして（数１）〜（数３）、及び変換行列Ａ，Ｏを
決定する最小自乗近似の演算式はＥＧＡ演算ユニット５
０２に記憶されている。

【００５１】本例では、２つのアライメントセンサが備
えられているため、サンプルショットの各ウエハマーク
の座標値を検出するアライメントセンサによって、得ら
れる（数１）の変換行列Ａ，Ｏのパラメータが２通りと
なる。即ち、ＬＩＡ系１０の計測結果に基づいてＥＧＡ
方式のアライメントを実行すると、（数１）中の６個の
変換パラメータ、即ちウエハスケーリングＲｘ，Ｒｙ、
ウエハローテーションθ、直交度ｗ、及びオフセットＯ
ｘ，Ｏｙが求められる。同様に、ＦＩＡ系３６の計測結
果に基づいてＥＧＡ方式のアライメントを実行すると、
（数１）中の６個の変換パラメータ、即ちウエハスケー
リングＲｘ，Ｒｙ、ウエハローテーションθ、直交度
ｗ、及びオフセットＯｘ，Ｏｙが求められる。しかしな
がら、例えばＦＩＡ系３６の計測結果に基づいて得られ
た変換パラメータ中には、所定の偏りのあることがあ
る。そこで、そのような偏りのあるパラメータについて
は、ＬＩＡ系１０の計測結果に基づいて得られる変換パ
ラメータで補正して使用することとする。

【００５２】次に、本例において１ロットのウエハにつ
いて、それぞれＥＧＡ方式で位置合わせ（アライメン
ト）を行いながら露光を行う場合の動作の一例につき、
図１のフローチャートを参照して説明する。以下の動作
は、ウエハ上の所定の回路パターン層（プロセスレイ
ヤ）への露光を行う場合の動作を示している。そして、
そのプロセスレイヤでは、予め試作時の実験及び評価の
結果、ＦＩＡ方式のアライメントセンサによる計測結果
に基づいて求めたＥＧＡパラメータ中のオフセットＯ
ｘ，Ｏｙにほぼ一定の傾向を有する誤差、即ち真値から
の所定の偏り（以下、「プロセスオフセット」とも呼
ぶ）が混入しているが、他のパラメータの誤差は小さ
く、一方、ＬＩＡ方式のアライメントセンサによる計測
結果に基づいて求めたＥＧＡパラメータ中でオフセット
Ｏｘ，Ｏｙの誤差は小さいことが分かっているものとす
る。

【００５３】先ず、主制御系５０に対して、ＦＩＡ系３
６を用いる第１のＥＧＡ方式のアライメントシーケンス
と、ＬＩＡ系１０を用いる第２のＥＧＡ方式のアライメ
ントシーケンスとを記憶させ、ウエハ上で計測対象とす
るショット領域（サンプルショット）の配列は、第１及
び第２のＥＧＡ方式のアライメントシーケンスで同じに
設定しておく。そして、２つのアライメントシーケンス
によりそれぞれ求められるＥＧＡパラメータの内で、オ
フセットＯｘ，Ｏｙのみは第２のアライメントシーケン
スにより求められたＥＧＡパラメータに基づいて後述の
ように補正を行うが、他のパラメータについては第１の
アライメントシーケンスにより求められたＥＧＡパラメ
ータをそのまま用いるようにしておく。また、プロセス
に応じて、２つのアライメントセンサで計測を行う最小
のウエハの枚数Ｋ（Ｋは２以上の整数）、及び後述の計
測データのばらつきの許容値ＳＬをシーケンスコントロ
ーラ５０６に設定しておく。

【００５４】具体的に、図１のステップ１０１におい
て、処理対象のウエハの順序を示す変数ｉを１に設定し
た後、ステップ１０２において、１ロットの先頭（ｉ＝
１）のウエハＷを図２のウエハステージＳＴ上にロード
する。図６は、露光対象のウエハＷを示し、この図６に
おいて、ウエハＷ上にはウエハＷ上の座標系（試料座標
系）（ｘ，ｙ）に沿って多数のショット領域が配列され
ているが、その中の計測対象のサンプルショットＳ₁,Ｓ
₂,…，Ｓ₈のみを示してある。その後、ステップ１０３
において、サーチアライメント（グローバルアライメン
ト）を行う。即ち、ウエハＷ上には各ショット領域に付
設されるウエハマークとは別に、大まかな位置合わせ用
のアライメントマークが試料座標系（ｘ，ｙ）に沿って
数個形成されている。そこで、例えば図２のＬＩＡ系１
０（Ｙ軸用のＬＩＡ系も含む、以下同様）、又はＦＩＡ
系３６によりそれらのアライメントマークのステージ座
標系（静止座標系）（Ｘ，Ｙ）での座標値を計測し、こ
の計測結果に基づいて、試料座標系（ｘ，ｙ）からステ
ージ座標系（Ｘ，Ｙ）への近似的な変換パラメータ（ウ
エハスケーリング、ウエハローテーション、オフセット
等）を求めて、図２の主制御系５０内のＥＧＡ演算ユニ
ット５０２内のメモリに記憶しておく。

【００５５】その後、ＥＧＡ方式のアライメントを行う
際には、計測対象のウエハマークの試料座標系（ｘ，
ｙ）での配列座標と、その近似的な変換パラメータとか
ら、ＥＧＡ演算ユニット５０２においてそのウエハマー
クのステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での座標値が算出され、
この座標値がシーケンスコントローラ５０６を介してス
テージコントローラ１４に供給される。そして、この供
給された座標値に基づいて、計測対象のウエハマークが
ＦＩＡ系３６の観察視野、又はＬＩＡ系１０からのレー
ザビームの照射領域に移動される。

【００５６】次にステップ１０４において、図２のＦＩ
Ａ系３６を用いて、図６のウエハＷ上のサンプルショッ
トＳ₁〜Ｓ₈の各ウエハマーク（ＭＸ₁,ＭＹ₁)〜（ＭＸ
₈,ＭＹ₈)のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での座標値を計測
して、ＥＧＡ方式のアライメントを実行する。これによ
り得られる計測値をＥＧＡ演算ユニット５０２で演算処
理することにより、設計上の配列座標からステージ座標
系上の座標への変換パラメータであるＥＧＡパラメータ
（以下、「ＦＩＡパラメータ」と呼ぶ）が算出される。
このＦＩＡパラメータは、ウエハスケーリングＲｘ，Ｒ
ｙ、ウエハローテーションθ、直交度ｗ、及びオフセッ
トＯｘ，Ｏｙから構成されている。

【００５７】その後、ステップ１０５において、図２の
ＬＩＡ系１０を用いて、図６のウエハＷ上のサンプルシ
ョットＳ₁〜Ｓ₈の各ウエハマーク（ＭＸ₁,ＭＹ₁)〜
（ＭＸ ₈,ＭＹ₈)のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での座標値
を計測して、ＥＧＡ方式のアライメントを実行する。こ
れにより得られる計測値をＥＧＡ演算ユニット５０２で
演算処理することにより、設計上の配列座標からステー
ジ座標系上の座標への変換パラメータであるＥＧＡパラ
メータ（以下、「ＬＩＡパラメータ」と呼ぶ）が算出さ
れる。このＬＩＡパラメータも、ウエハスケーリングＲ
ｘ，Ｒｙ、ウエハローテーションθ、直交度ｗ、及びオ
フセットＯｘ，Ｏｙから構成されている。

【００５８】次のステップ１０６において、ＬＩＡパラ
メータ内のオフセットＯｘ，ＯｙからＦＩＡパラメータ
の内のオフセットＯｘ，Ｏｙをそれぞれ差し引いて差Δ
Ｏｘ，ΔＯｙ（以下、まとめて「差Ｓｉ」と呼ぶ）を算
出し、この差Ｓｉ、これまでに算出された差Ｓ１，Ｓ
２，…，Ｓｉ（但し、先頭のウエハについては、ｉ＝１
である）の平均値Ｓｍ、及びこれまでに算出された差Ｓ
１〜Ｓｉの標準偏差Ｓｖを算出し、これらの値を主制御
系５０内の補正データ記憶部５０５に格納する。この場
合、平均値Ｓｍは実際には、１番目〜ｉ番目のウエハに
ついての差ΔＯｘ，ΔＯｙのそれぞれの平均値よりなる
ベクトル量であり、標準偏差Ｓｖも差ΔＯｘ，ΔＯｙの
それぞれの標準偏差を指す。但し、標準偏差Ｓｖとして
は、差ΔＯｘ，ΔＯｙのそれぞれの標準偏差の和、又は
差ΔＯｘ，ΔＯｙの絶対値（＝（ΔＯｘ²＋ΔＯｙ²)
^1/2)の標準偏差等を使用してもよい。

【００５９】そして、ここで計測を行ったウエハＷに対
しては、ステップ１０７において、ウエハスケーリング
Ｒｘ，Ｒｙ、ウエハローテーションθ、直交度ｗについ
ては、ＦＩＡパラメータの値を使用し、オフセットＯ
ｘ，ＯｙについてはＬＩＡパラメータの値を使用して、
ＥＧＡ演算ユニット５０５により設計上の配列座標から
全ショット領域のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での配列座
標（露光座標）を算出する。その後、ステップ１０８に
移行して、ステップ１０７で算出された配列座標をシー
ケンスコントローラ５０６を介してステージコントロー
ラ１４に順次供給することにより、ウエハＷ上の各ショ
ット領域を順次投影光学系ＰＬの露光フィールド内に位
置決めしてそれぞれレチクルＲのパターン像を露光す
る。

【００６０】１枚目のウエハＷの全ショット領域への露
光が終了した後、変数ｉの値に１を加算して（ステップ
１０９）、ステップ１１０で変数ｉの値が予め設定され
ている枚数Ｋを超えたかどうかを判定し（ステップ１１
０）、変数ｉが枚数Ｋ以下であるとき（ｉ≦Ｋ）には、
動作はステップ１０２に戻って２つのアライメントセン
サを用いたＥＧＡ方式でのアライメントが行われる。そ
して、ステップ１０６で、ＦＩＡパラメータとＬＩＡパ
ラメータとの間のオフセットＯｘ，Ｏｙの差Ｓｉの平均
値Ｓｍ、及びその差Ｓｉの標準偏差Ｓｖが更新される。

【００６１】その後、ステップ１１０で変数ｉが枚数Ｋ
を超えたときには（ｉ＞Ｋ）、ステップ１１１におい
て、ステップ１０６で求められた標準偏差Ｓｖが予め設
定されている許容値ＳＬ以下かどうかが調べられる。な
お、標準偏差Ｓｖが、オフセットＯｘ，Ｏｙのそれぞれ
について求められているときには、Ｘ方向、及びＹ方向
のオフセットの標準偏差が共に、その許容値ＳＬ以下か
どうかが調べられる。この場合、標準偏差Ｓｖが許容値
を超えるとき（ＳＶ＞ＳＬ）には、ステップ１０２に戻
って、２つのアライメントセンサによるアライメントが
行われ、ステップ１０６で、その標準偏差Ｓｖが更新さ
れる。

【００６２】一方、変数ｉがＪのとき（Ｊ枚のウエハの
処理が終わった後）のステップ１１１で、標準偏差Ｓｖ
がその許容値ＳＬ以下となった（Ｓｖ≦ＳＬ）場合に
は、動作はステップ１１２に移行して、露光済みのウエ
ハが搬出され、このロット内でその次に露光するｉ枚目
（ここでは（Ｊ＋１）枚目）のウエハが図２のウエハス
テージＳＴ上にロードされる。

【００６３】本例では、同一ロット内ではプロセスの状
態に大きな差はないことを前提として、ＦＩＡ系３６に
よる計測結果に基づいて求めたＦＩＡパラメータ中のオ
フセットＯｘ，Ｏｙに混入されている偏り（プロセスオ
フセット）は、ロット内でほぼ一定値であるとみなす。
そこで、この（Ｊ＋１）枚目以降のウエハについては、
ＦＩＡ系３６のみでＥＧＡ方式のアライメントを行い、
求められたＦＩＡパラメータ中のオフセットＯｘ，Ｏｙ
については、ステップ１０６で求めたＪ枚のウエハにつ
いての差Ｓｉの平均値Ｓｍを用いて補正することとす
る。

【００６４】従って、シーケンスとしては、ステップ１
１３でステップ１０３と同様にサーチアライメントを実
行した後、ステップ１１４に移行してそのｉ枚目のウエ
ハ上の図６と同じ配列のサンプルショットについて、Ｆ
ＩＡ系３６を用いてウエハマークの座標値を計測し、こ
の計測結果を処理してＥＧＡパラメータ（ＦＩＡパラメ
ータ）の値を算出する。続くステップ１１５において、
ウエハスケーリングＲｘ，Ｒｙ、ウエハローテーション
θ、直交度ｗについては、直前のステップ１１４で求め
たＦＩＡパラメータの値を使用し、オフセットＯｘ，Ｏ
ｙについては、直前のステップ１１４で求めたＦＩＡパ
ラメータに、ステップ１０６で求めて記憶してあるＪ枚
のウエハについての差Ｓｉ（差ΔＯｘ，ΔＯｙ）の平均
値Ｓｍを加算した値を使用して、ＥＧＡ演算ユニット５
０２により設計上の配列座標から全ショット領域のステ
ージ座標系（Ｘ，Ｙ）での配列座標（露光座標）を算出
する。その後、ステップ１１６に移行して、ステップ１
１５で算出された配列座標に基づいて、ウエハ上の各シ
ョット領域を順次露光位置に位置決めして、それぞれレ
チクルＲのパターン像を露光する。

【００６５】次に、ステップ１１７において、このロッ
ト内で露光すべきウエハが残っているかどうかを判定
し、露光すべきウエハがあるときには、ステップ１１８
で変数ｉに１を加算した後、ステップ１１２〜１１６を
繰り返してアライメント及び露光を行う。そして、ステ
ップ１１７において露光すべきウエハが尽きたときにこ
の工程を終了する。

【００６６】このように本例では、基本的にＦＩＡ系３
６を用いてＥＧＡ方式でアライメントを行っているた
め、ウエハマークの非対称性の影響やウエハ上のフォト
レジスト層での薄膜干渉の影響を受けにくい利点があ
る。但し、ＦＩＡ系３６の計測結果より算出されるＥＧ
Ａパラメータ（ＦＩＡパラメータ）の内で、オフセット
Ｏｘ，Ｏｙにほぼ一定の偏りがある場合には、オフセッ
トＯｘ，ＯｙについてはＬＩＡ系１０で計測した結果か
ら求められる差を用いて補正している。従って、オフセ
ットＯｘ，Ｏｙについても、誤差が小さくなり全体とし
て高い位置合わせ精度が得られている。更に、ＬＩＡ系
１０でも計測を行うのはＫ枚（又はこれより多少多い枚
数）のウエハのみであるため、露光工程のスループット
は殆ど低下しない利点もある。

【００６７】なお、図１のステップ１０４及び１０５の
ようにＥＧＡパラメータの補正値を求めるためのサンプ
ルショットの個数を、図１のステップ１１４で計測対象
となるような通常のサンプルショットの個数に比べて多
くしてもよい。更に、そのＥＧＡパラメータの補正値を
求める際に、ウエハ上の全ショット領域をサンプルショ
ットとしてみなして計測を行ってもよい。

【００６８】また、上述の例では２つのアライメントセ
ンサとして、ＦＩＡ方式、及びＬＩＡ方式が使用されて
いるが、２つのアライメントセンサとして例えばＬＳＡ
（レーザ・ステップ・アライメント）方式、及びＦＩＡ
方式を使用する場合にも本発明が適用される。後者の場
合には、例えばウエハスケーリングについてはＦＩＡ方
式のアライメントセンサの計測値から求めた値を使用
し、ウエハローテーション、直交度、オフセットについ
てはＬＳＡ方式のアライメントセンサの計測値から求め
た値を使用すること等が考えられる。その他、２つのア
ライメントセンサとしては種々の組み合わせが考えられ
る。

【００６９】また、上述の例では、図２のＦＩＡ系３６
がオフ・アクシス方式、ＬＩＡ系１０がＴＴＬ方式とな
っているが、ＦＩＡ系３６を例えばＴＴＬ方式、又はＴ
ＴＲ方式で使用してもよく、逆にＬＩＡ系１０をオフ・
アクシス方式、又はＴＴＲ方式で使用してもよい。次
に、本発明の第２の実施の形態につき説明する。本例で
も図２の投影露光装置を使用するが、本例ではアライメ
ントに際して、ウエハ上の各サンプルショットにおいて
１対の１次元マークの位置を計測するのではなく、各サ
ンプルショットにおいてそれぞれ３個以上の１次元マー
ク（又は２個以上の２次元マーク）の位置を計測する。
このように各サンプルショットについて、３個以上の１
次元マーク（又は２個以上の２次元マーク）の位置を計
測する方式は、「ショット内多点計測方式」と呼ばれて
いる。

【００７０】このショット内多点計測方式によれば、通
常の６個のＥＧＡパラメータ（ウエハスケーリングＲ
ｘ，Ｒｙ、ウエハローテーションθ、直交度ｗ、オフセ
ットＯｘ，Ｏｙ）の他に、各ショット領域内でのパター
ンの回転（ショット回転）θ_Cや、各ショット領域内で
のパターンの線形伸縮（ショット倍率）γｘ，γｙも求
めることができる。そして、例えばショット回転θ_Cに
応じてレチクルの回転を行い、ショット倍率γｘ，γｙ
に応じて投影光学系の投影倍率の調整を行うことによ
り、重ね合わせ精度を高めることができる。この場合、
ショット倍率γｘ，γｙは、ウエハスケーリングＲｘ，
Ｒｙ、及びオフセット成分ａｘ，ａｙを用いて以下のよ
うに表現できる。

【００７１】

【数５】γｘ＝Ｒｘ＋ａｘ，γｙ＝Ｒｙ＋ａｙここで、ウエハスケーリングＲｘ，Ｒｙは、プロセスや
温度等が原因となるウエハ自体の線形伸縮であり、オフ
セット成分ａｘ，ａｙは前工程のレチクル倍率や投影光
学系の投影倍率等が原因となる成分である。同様に、シ
ョット回転θ_Cも、ウエハローテーションθ、及びオフ
セット成分ｂを用いて以下のように表現できる。

【００７２】

【数６】θ_C＝θ＋ｂこれに関して、オフセット成分ａｘ，ａｙ，ｂの値は、
１つのロット内でほぼ一定の場合がある。この場合に
は、１ロット内の先頭から数枚目までのウエハについて
は、ショット内多点計測方式でアライメントを行い、各
ウエハ毎のオフセット成分ａｘ，ａｙ，ｂの値の平均値
〈ａｘ〉，〈ａｙ〉，〈ｂ〉を求める。そして、Ｊ枚目
までのウエハについての平均値〈ａｘ〉，〈ａｙ〉，
〈ｂ〉を求めたら、（Ｊ＋１）枚目以降はショット内多
点計測を行わずに、通常（ショット内で１対の１次元マ
ークの位置計測を行う）のＥＧＡ方式でアライメントを
行うようにする。そして、ＥＧＡ方式で求められたウエ
ハスケーリングＲｘ，Ｒｙ、及びウエハローテーション
θと、それら平均値〈ａｘ〉，〈ａｙ〉，〈ｂ〉とか
ら、（数５）及び（数６）よりショット倍率γｘ，γ
ｙ、ショット回転θ_Cを求める。

【００７３】この例でも、そのＪ枚目の判定は、図１の
実施の形態と同様に、例えばオフセット成分ａｘ，ａ
ｙ，ｂの標準偏差と、予め設定したウエハ枚数Ｋ及び標
準偏差の許容値ＳＬとを用いて行うことができる。ま
た、ショット倍率γｘ，γｙのオフセット成分（ａｘ，
ａｙ）がロット内で安定しているのに対して、ショット
回転θ_Cのオフセット成分（ｂ）はウエハ毎にばらつい
ている可能性もある。このような場合、オフセット成分
ａｘ，ａｙのみは平均値〈ａｘ〉，〈ａｙ〉を使い、オ
フセット成分ｂは各ウエハ毎に計測するようにしてもよ
い。このときは、先頭からＪ枚目までのウエハはショッ
ト内多点計測を行い、各ウエハ毎のオフセット成分ａ
ｘ，ａｙの平均値〈ａｘ〉，〈ａｙ〉を求める。そし
て、（Ｊ＋１）枚目以降はショット内マークのうち倍率
成分を決定するためのマークの計測は行わず、回転成分
を決定するためのマークの計測のみを行うようにする。
この場合にも、そのＪ枚目の決定を行う際に、上述の例
と同様にオフセット成分ａの標準偏差と、予め設定した
ウエハ枚数Ｋ及び標準偏差の許容値ＳＬとを用いること
ができる。

【００７４】なお、上記の各実施の形態においては、予
め最低計測枚数Ｋとオフセットの差のばらつきの許容値
ＳＬとを設定して、そのオフセットの差の標準偏差Ｓｖ
とその許容値ＳＬとを比較していた。しかし、通常のプ
ロセスでは１ロット内のウエハの枚数はそれ程多くない
ため、統計学で使用されるｔ分布を使用する方法も有効
である。

【００７５】そこで、以下、ｔ分布を使用した本発明に
よる第３の実施の形態につき図７のフローチャートを参
照して説明する。本例でも図２の投影露光装置を使用し
て、ＥＧＡ方式でアライメントを行うが、図７において
図１に対応する工程には同一符号を付してその詳細説明
を省略する。本例では、初めに２つのアライメントセン
サの計測値から算出されるＥＧＡパラメータ中のオフセ
ットの差のばらつきの許容値ＳＬ、及び信頼係数（検定
率）αをシーケンスコントローラ５０６に設定してお
く。許容値ＳＬは各プロセスの許容値から決定される値
である。そして、図７のステップ１０１〜１０８におい
て、図１の例と同様に１ロット内の先頭（ｉ＝１）のウ
エハについて、図２のＦＩＡ系３６、及びＬＩＡ系１０
を用いてＥＧＡ方式でのアライメント及び露光を行う。

【００７６】その後、ロット内の２枚目以降のウエハに
ついて、それぞれステップ１０２〜１０９を実行して、
２種類のアライメントセンサによる計測値から求めたＥ
ＧＡパラメータの内で、ＦＩＡパラメータとＬＩＡパラ
メータとの間のオフセットＯｘ，Ｏｙの差Ｓｉ、この差
Ｓｉのそれまでの平均値Ｓｍ、及びその差Ｓｉのそれま
での標準偏差Ｓｖを求める。その後、ステップ１０９で
変数ｉに１を加算した後、ステップ１１９で変数ｉが３
を超えたかどうか、即ち少なくとも３枚のウエハについ
ての露光が行われたかどうかを判定する。これは図１の
ステップ１１０で使用される枚数Ｋを３枚とすることに
対応する。そして、変数ｉが３以下であるときにはステ
ップ１０２に戻り、変数ｉが４以上であるときには、動
作はステップ１１９からステップ１２０に移行して、ス
テップ１０６で求められたオフセットの差の標準偏差Ｓ
ｖを次式よりばらつきＳｔに換算する。

【００７７】

【数７】Ｓｔ＝ｔ（ｉ−２，α）・Ｓｖ／（ｉ−１）^1/2 この式で、変数（ｉ−１）はそれまでに計測されたウエ
ハの枚数であり、ｔ（ｉ−２，α）は自由度（ｉ−２）
で、検定率（既に設定されている信頼係数）αのｔ分布
関数である。

【００７８】次のステップ１２１で、そのばらつきＳｔ
と予め設定されている許容値ＳＬとを比較して、ばらつ
きＳｔが許容値ＳＬより大きいとき（Ｓｔ＞ＳＬ）に
は、ステップ１０２に戻って再び２つのアライメントセ
ンサを使用してＥＧＡ方式でアライメントを行って、オ
フセットの差の標準偏差Ｓｖを更新する。一方、１ロッ
ト内でＪ枚のウエハの処理が終わったときに、ステップ
１２１でばらつきＳｔが許容値以下となったとき（Ｓｔ
≦Ｓｖ）には、ステップ１１２に移行してＦＩＡ系３６
のみを使用してＥＧＡ方式でアライメントを行う。但
し、ステップ１１５で示すように、ＥＧＡパラメータ中
のオフセットＯｘ，Ｏｙのみは、直前に求めたＦＩＡパ
ラメータに、ステップ１０６で求めた差Ｓｉの平均値Ｓ
ｍを加算した補正値を使用する。そして、（Ｊ＋１）枚
目以降のウエハについては、ＦＩＡ系３６の計測結果、
及びその平均値Ｓｍのみを使用してアライメントが行わ
れる。この結果、スループットをあまり低下させること
なく、高いアライメント精度が得られる。

【００７９】また、上述の第２の実施の形態において
も、標準偏差をｔ分布に換算して判定してもよい。更
に、上述の実施の形態とは別の例として、２つのアライ
メントセンサによって求めたＦＩＡパラメータの内のオ
フセットの差Ｓｉのばらつきとして、それまでのウエハ
について求めた差Ｓ１〜Ｓｉのレンジ（範囲）ＳＲｉを
用いる方法もある。この場合、予め所定の枚数Ｋ、及び
許容値ＳＬを決定しておく。そして、１ロット内のＫ枚
目のウエハまでは２つのアライメントセンサを用いてＥ
ＧＡ方式でアライメントを行って、オフセットの差Ｓｉ
のレンジＳＲｉを記憶する。その後、（Ｋ＋１）枚目以
降のウエハの露光を行う際には、そのレンジＳＲｉが許
容値ＳＬ以下であるとき（ＳＲ≦ＳＬ）には、ＦＩＡ系
３６のみを使ってＥＧＡ方式でアライメントを行い、オ
フセットＯｘ，ＯｙのみはＦＩＡパラメータを記憶して
ある差Ｓｉの平均値Ｓｍで補正する。

【００８０】一方、（Ｋ＋１）枚目以降のウエハについ
ても、レンジＳＲｉが許容値ＳＬより大きいとき（ＳＲ
ｉ＞ＳＬ）には、ウエハ間のばらつきが大きいと判断し
て、２種類のアライメントセンサを用いてアライメント
を行うようにする。この方法でも、上述の実施の形態と
同様の効果が得られる。なお、上述の実施の形態では、
ＥＧＡ方式として通常のＥＧＡ方式が適用されている
が、ウエハ上のサンプルショットに対して例えばウエハ
の中心からの距離に応じて定まる重みを付して得られる
残留誤差成分が最小になるように変換パラメータの値を
決定する、所謂重み付けＥＧＡ方式を使用する場合にも
本発明は同様に適用される。

【００８１】更に、本発明はＥＧＡ方式でアライメント
を行う場合のみでなく、例えばダイ・バイ・ダイ方式で
アライメント及び露光を行う場合にも適用される。例え
ば１ロットのウエハに対してそれぞれダイ・バイ・ダイ
方式でアライメントを行うときには、Ｊ数目までのウエ
ハに対して、図２のＦＩＡ系３６及びＬＩＡ系１０の両
方でウエハマークの座標検出を行って、ＬＩＡ系１０の
計測結果を用いて各ショット領域の位置合わせを行うと
共に、２つのアライメントセンサによる検出結果の差分
の平均値、及びばらつきを記憶する。そして、（Ｊ＋
１）枚目以降のウエハについては、ＦＩＡ系３６の計測
結果を記憶してあるその差分の平均値で補正した値に基
づいてアライメント及び露光を行う。また、そのＪ枚目
の判定は、その検出結果の差分のばらつきを所定の許容
値ＳＬと比較して行う。これによって、スループットを
あまり低下させることなく、高精度に位置合わせが行わ
れる。

【００８２】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得ることは勿論である。

【００８３】

【発明の効果】本発明の第１の位置合わせ方法によれ
ば、Ｊ枚目までの基板については、２つのアライメント
センサの計測値に基づいて位置合わせを行うと共に、そ
れら計測値の差を記憶し、（Ｊ＋１）枚目以降の基板に
ついては、一方のアライメントセンサでの計測値、及び
記憶してある差に基づいて位置合わせが行われる。従っ
て、その一方のアライメントセンサとして撮像方式（Ｆ
ＩＡ方式）のアライメントセンサを使用することによ
り、ＦＩＡ方式のアライメントセンサの長所を活かすこ
とができると共に、スループットをそれ程低下させるこ
となく、高い位置合わせ精度が得られる利点がある。

【００８４】同様に、本発明の第２の位置合わせ方法に
よれば、例えばＥＧＡ方式でアライメントを行う際に一
方のアライメントセンサとしてＦＩＡ方式のアライメン
トセンサを使用する場合に、ＦＩＡ方式のアライメント
センサの長所を活かすことができると共に、スループッ
トをそれ程低下させることなく、高い位置合わせ精度が
得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置合わせ方法の第１の実施の形
態が適用された露光動作を示すフローチャートである。

【図２】実施の形態で使用される投影露光装置の要部を
示す構成図である。

【図３】（ａ）はウエハ上のショット領域及びウエハマ
ークの一例を示す拡大平面図、（ｂ）はウエハマークを
示す拡大平面図、（ｃ）は図３（ｂ）の断面図である。

【図４】ＦＩＡ方式のアライメントセンサによる観察像
の一例を示す図である。

【図５】ＬＩＡ方式のアライメントセンサの検出原理の
説明図である。

【図６】実施の形態で露光対象とされるウエハＷ上のサ
ンプルショットの配列の一例を示す平面図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態が適用された露光動
作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系ＷウエハＳＴウエハステージ８受光素子１０ＬＩＡ系３４Ｘ，３４Ｙ撮像素子３６ＦＩＡ系５０主制御系５０２ＥＧＡ演算ユニット５０５補正データ記憶部Ｓ₁〜Ｓ₈ サンプルショットＷＸ₁ Ｘ軸のウエハマークＷＹ₁ Ｙ軸のウエハマーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ枚（Ｎは３以上の整数）の基板に対し
て、順次前記基板上の複数のショット領域から選択され
た計測ショットの計測された配列座標に基づいて、前記
複数のショット領域のそれぞれを所定の基準位置に位置
決めする位置合わせ方法において、前記Ｎ枚の基板の最初の基板より順次２つのアライメン
トセンサを用いて前記計測ショットの座標位置を計測
し、それぞれのアライメントセンサによる計測値の差の
ばらつきを求め、Ｊ枚目（Ｊは１以上で（Ｎ−１）以下の整数）までの基
板についての前記２つのアライメントセンサの計測値の
差のばらつきが所定の許容値以下になったときに、（Ｊ＋１）枚目以降の基板については前記２つのアライ
メントセンサの内の一方の計測値、及びそれまでに求め
られた前記２つのアライメントセンサの計測値の差に基
づいて前記複数のショット領域の位置決めを行うことを
特徴とする位置合わせ方法。
【請求項２】Ｎ枚（Ｎは３以上の整数）の基板のそれ
ぞれに対して、前記基板上に２次元的に配列された複数
のショット領域の内、予め選択された少なくとも３つの
計測ショットの前記基板の移動位置を規定する静止座標
系上における座標位置を計測し、該計測結果を統計演算
することによって前記複数のショット領域のそれぞれの
前記静止座標系上における座標位置を算出し、該算出さ
れた座標位置に基づいて前記複数のショット領域のそれ
ぞれを所定の基準位置に対して順次位置合わせする方法
において、前記Ｎ枚の基板の内のＪ枚目（Ｊは２以上で（Ｎ−１）
以下の整数）までの少なくとも１枚については、２つの
アライメントセンサを使って前記計測ショットの座標位
置の計測を行うと共に、それぞれのアライメントセンサ
での計測値の統計演算結果の差を求めて記憶し、（Ｊ＋１）枚目以降の前記基板に対して、前記２つのア
ライメントセンサの内の一方のみで前記計測ショットの
座標位置の計測を行い、該計測結果を統計演算した結果
を、既に記憶されている前記２つのアライメントセンサ
での計測値の統計演算結果の差で補正し、該補正結果に
基づいて前記（Ｊ＋１）枚目以降の基板の複数のショッ
ト領域のそれぞれを位置合わせし、前記Ｊ枚目の基板の判定を行うために、前記Ｊ枚目まで
の基板についての前記２つのアライメントセンサの一
方、又は両方の計測値のばらつきを用いることを特徴と
する位置合わせ方法。