JP2006071440A - 位置計測装置、該位置計測装置を備えた露光装置及び該位置計測装置を使用する露光方法 - Google Patents

位置計測装置、該位置計測装置を備えた露光装置及び該位置計測装置を使用する露光方法 Download PDF

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Abstract

【課題】計測精度を維持してアライメントのスループット性を向上させた位置計測装置等を提供すること。
【解決手段】AFセンサ60のCCDカメラ61は非計測方向に96行(ライン)、計測方向に1024列のピクセル(96×1024)を有した2次元CCDカメラであり、入力した計測信号を処理する方法として、各ライン上のピクセルに蓄積された光量に相当する電荷(信号)を所定時間毎に1ラインずつ順次加算を繰り返す(電荷を順次転送して加算を繰り返す)、TDI計測モード(ステップS101参照)と、各ライン上のピクセルに蓄積された光量に相当する電荷(信号)を96ライン分一度に加算(電荷を一度に転送して加算)する、WA計測モード(ステップS103参照)と、を含み、このTDI計測モードとWA計測モードを計測条件に合わせて切り換える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、位置計測用パターンを撮像して該位置計測用パターンの位置を計測する際、計測精度を維持してスループット性を向上させた位置計測装置、この位置計測装置を備えた露光装置及びこの位置計測装置を使用する露光方法に関する。
半導体デバイスや液晶表示デバイスを、リソグラフィ技術を用いて製造する際には、パターンが形成されたマスクとしてのレチクルに露光用照明光(露光光)を照射し、このパターンの像を、投影光学系を介してフォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウエハやガラステンプレート等の感光性基板上に投影露光する露光装置が使用されている。
このような露光装置では、一般に複数の異なったレチクル上に描かれた回路パターンをウエハ上に順次重ねて露光するため、露光に先立ち、レチクルのウエハステージ座標系に対する位置関係を精度良く求めてレチクルとウエハ(ウエハの各ショット領域内の回路パターン)とのアライメント(位置合わせ)を正確に行う必要がある。このアライメントを行うため、例えば露光装置に装着されているアライメントセンサによりウエハ上に形成されているアライメントマークの位置を検出しており、これによりウエハ上の各ショット領域内の回路パターンの正確な位置を検出している。
このアライメントセンサの一つとして、例えば、ウエハ上に形成されたアライメントマークにハロゲンランプなどを光源とする波長帯域幅の長いブロードバンド光(感光剤が感光しない帯域の光)を照射する一方、該アライメントマークからの反射光をCCDカメラで撮像し、その画像信号に画像処理を施してアライメントマークの位置を計測する、ウエハアライメントセンサの一種である、FIA(Field Image Alignment)センサが知られている。
このFIAセンサでアライメントマークを撮像する際には、予めCCDカメラの撮像面(受光素子の受光面)上にアライメントマークの反射光の像が結像するように、フォーカス計測、合焦動作を行う必要がある。このフォーカス計測、合焦動作は、FIAセンサに内蔵されているアライメント・オート・フォーカス・センサ(ALG−AFセンサ:AFセンサ)により受光素子の受光面の位置とウエハ表面からの反射光の結像位置との間のフォーカス方向におけるズレ量を計測し、このズレ量が零になるようにウエハステージをZ方向(高さ方向:フォーカス方向)に移動させて行う。
AFセンサには、例えば、96(ライン)×1024(列)のピクセル(画素)を有して、TDI(Time Delay Integration)動作により計測信号を処理する受光素子(CCDカメラ)が採用されている。このAFセンサでは、ズレ量を計測するため、ウエハ上のアライメントマークの近傍に投影されたフォーカス計測用マーク像(AFマーク像)を撮像して計測し、この撮像信号を計測信号として画像処理している。具体的には、長手方向の1024列が像位置の計測に使用され、また非計測方向の96段のラインが信号を逐次積算するのに使用されていて、各ライン上のピクセルに蓄積された電荷(信号)を一定時間毎に次の段のラインに逐次加算し、最終的には1ライン上に全ての信号を加算処理して(1ライン当たり96倍の信号強度にして)、これを画像処理することによりズレ量を計測している。
ところで、FIAセンサによるウエハアライメントにおいて統計的手法を利用した、エンハンスト・グローバル・アライメント(Enhanced Global Alignment:EGA)では、ウエハ上の各ショット領域の近傍に形成されたアライメントマークのうち、所定の複数のショット領域のアライメントマークを選択し、選択したこれらアライメントマークの位置を順次計測してウエハの残存回転誤差、ウエハの線形伸縮、ウエハのオフセットなどを求め、ウエハの全てのショット領域を位置決めするが、この場合、計測対象となる全てのアライメントマークを同じフォーカス状態で計測しないとアライメントマーク位置の計測結果に誤差が生じる可能性がある。一般にアライメントマーク周辺の高さ分布はウエハ内のいずれのショット領域において略同じであることが期待されているが、実際にはばらつきがある。また、アライメントマークがFIAセンサの計測視野に入るまでの二次元平面(XY平面)内におけるウエハステージ移動経路はショット領域毎に異なる。したがって、アライメントマーク間でFIAセンサの計測条件が一定になるようにアライメントマークがFIAセンサの計測(検出)視野内に入った状態でAFセンサによりウエハ像に投影されたAFスリット像の計測、調整(フォーカス計測、合焦動作)を行うことが望ましい。すなわち、各アライメントマーク毎に、アライメントマークがFIAセンサの計測視野内に入るようにウエハステージをXY方向に移動させた後、アライメント計測を行う直前にフォーカス計測及び合焦動作を行うことが望ましい。
しかし、このような場合において、AFスリット像の計測を上述したTDI動作(TDIモード計測)で計測することは、スループット性を著しく低下させることになる。すなわち、理想的な計測信号を得るには、アライメントマークがFIAセンサの計測視野内に入った状態で計測を行う必要があるため、ウエハを搭載したウエハステージをXY方向に停止させた状態に維持し、この停止状態下でAFセンサの受光素子のピクセルに蓄積された電荷(信号)を一定時間毎に次の段のラインに順次加算し、合計96段のライン分を順次加算してAFスリット像の位置を計測するTDIモード計測に時間がかかり、これを複数のアライメントマークの計測毎に行うことは、ウエハアライメントに時間がかかり、その結果、ウエハアライメントのスループット性を低下させることになる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、計測精度を維持してウエハアライメントのスループット性を向上させた位置計測装置、この位置計測装置を備えた露光装置及びこの位置計測装置を使用する露光方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成する、本発明の請求項1に記載の位置計測装置は、二次元平面内を移動するステージ(ウエハステージWST)上に載置された物体(ウエハW)の該二次元平面内における位置(XY位置)を計測する位置計測装置であって、前記物体上に形成された位置計測用パターン(ウエハW上のアライメントマーク、EGA計測用マークなどのFIAセンサにより位置が計測される位置計測用パターン)に計測ビーム(FIAセンサのブロードバンド光)を照射し、該計測ビームの照射を受けて該位置計測用パターンから生じたパターンビーム(位置計測用パターンの反射光)を受光素子(FIAセンサのファイン計測用のCCDカメラ43,44)で受光し、その受光量に応じて光電変換信号を出力するパターン検出センサ(FIAセンサ30)と、前記受光素子の受光面の位置と、前記パターンビームの結像位置との間の、フォーカス方向(Z軸方向)におけるズレ量を計測するフォーカス状態検出センサ(AFセンサ60)と、を有し、該フォーカス状態検出センサは、複数の計測モード(TDI計測モード、WA計測モード)で使用可能であり、該フォーカス状態センサが計測に供される時の使用条件に応じて、該複数の計測モード中の任意の計測モードに切り換え設定されることを特徴とする。
請求項1に記載の位置計測装置において、前記使用条件は、例えば、前記ステージの前記二次元平面内の移動動作と並行して前記フォーカス状態検出センサによる検出を行う第1計測条件と、前記ステージの静止中に前記フォーカス状態検出センサによる検出を行う第2計測条件と、を含むようにしてもよい(請求項2)。
前記第2計測条件下では、前記位置計測用パターンが前記パターン検出センサの検出視野内に位置決めされていることが望ましい(請求項3)。
前記フォーカス状態検出センサは、前記物体上に投影された互いに線幅の異なる複数のライン像を検出することにより前記ズレ量を計測するセンサであり、前記使用条件は、前記複数のライン像のうち線幅が所定値よりも大きいライン像を検出する第1計測条件と、前記線幅が前記所定値以下のライン像を検出する第2計測条件と、を含むようにしてもよい(請求項4)。
前記使用条件は、前記ズレ量の検出精度として所定レベル以下の精度で許容される第1計測条件と、前記所定レベル以上の精度が要求される第2計測条件と、を含むようにしてもよい(請求項5)。
前記フォーカス状態検出センサはnライン×m列(n,mは共に2以上の自然数)のピクセルを備えており、前記計測モードは、前記各ライン内のピクセルに蓄積された光量に相当する信号を所定時間毎に所定ラインずつ順次加算を繰り返す第1計測モード(TDI(Time Delay Integration)計測モード)と、前記各ラインのピクセルに蓄積された光量に相当する信号を一度にnライン分加算する第2計測モード(WA(Wide
Aperture)計測モード)と、を含み、前記第1計測条件時には前記第1計測モードが設定され、前記第2計測条件時には前記第2計測モードが設定されることが望ましい(請求項6)。
上記目的を達成する、本発明の請求項7に記載の露光装置は、マスクパターン(レチクルRに形成されたパターン)を照明して、該マスクパターンの像をステージ(ウエハステージWST)上に搭載された被露光基板(ウエハW)上に転写する露光装置であって、請求項1乃至6の何れか一項に記載の位置計測装置を有し、前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを、前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて、位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする。
請求項7に記載の露光装置において、前記位置計測装置が備えている前記フォーカス状態検出センサは、前記被露光基板上に投影された複数のライン像を検出することにより前記ズレ量を計測するセンサであり、前記被露光基板上に投影される前記複数のライン像の各長手方向(長手方向に沿うライン像の軸線)は、前記被露光基板上の前記マスクパターンの像が転写される領域(ショット領域)間のストリートラインに対して10度乃至35度又は55度乃至80度傾斜していることが望ましい(請求項8)。
上記目的を達成する、本発明の請求項9に記載の露光方法は、マスクパターン(レチクルRに形成されたパターン)を照明して、該マスクパターンの像をステージ(ウエハステージWST)上に搭載された被露光基板(ウエハW)上に転写する露光方法であって、前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを、請求項1乃至6の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測し、前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする。
本発明の請求項1に記載の位置計測装置によれば、フォーカス状態検出センサが、複数の計測モード(TDI計測モード、WA計測モード)で使用可能であり、該フォーカス状態センサが計測に供される時の使用条件に応じて、該複数の計測モード中の任意の計測モードに切り換え設定されるようにしてあるので、パターン検出センサによる位置計測用パターンの計測(例えばEGA計測)の直前に行われるフォーカス計測で、フォーカス状態検出センサの計測モードを、例えば、TDI計測モードから計測に要する時間がTDIモードよりも短くて済むWA計測モードに切り換えることにより、受光素子の受光面の位置とパターンビームの結像位置との間のフォーカス方向におけるズレ量を計測するのが短時間で行え、その結果、計測精度を維持してパターン検出センサによる計測時間を短縮化し、この結果スループット性を向上することが可能となる。
請求項2に記載の位置計測装置によれば、使用条件が、ステージの二次元平面内の移動動作と並行してフォーカス状態検出センサによる検出を行う第1計測条件と、ステージの静止中にフォーカス状態検出センサによる検出を行う第2計測条件を含むので、例えば物体表面の平均高さを計測する場合等では、第1計測条件であるステージの二次元平面内の移動動作に平行して計測することができ、また例えばEGA計測前に行われるフォーカス計測では第2計測条件であるステージの静止中に計測をすることができ、いずれの場合も最適な状態で計測が行える。
請求項3に記載の位置計測装置によれば、第2計測条件下では位置計測用パターンがパターン検出センサの検出視野内に位置決めされるようにしてあるので、合焦した状態でパターン検出センサにより各位置計測用パターンを計測することができ、例えば理想的な状態でEGA計測が行える。
請求項4に記載の位置計測装置によれば、フォーカス状態検出センサが、物体上に投影された互いに線幅の異なる複数のライン像を検出することによりズレ量を計測するので、1本のライン像を計測する場合に比して計測誤差が少なく、計測信頼性があり、また使用条件が、複数のライン像のうち線幅が所定値よりも大きいライン像を検出する第1計測条件と、線幅が前記所定値以下のライン像を検出する第2計測条件とを含むようにしてあるので、線幅が所定値より大きいライン像を検出することにより、物体表面の平均的な高さの計測を行い、線幅が所定値以下のライン像を検出することにより、例えばEGA計測直前のフォーカス計測を行うことが出来る。
請求項5に記載の位置計測装置によれば、使用条件が、ズレ量の検出精度として、所定レベル以下の精度で許容される第1計測条件と、所定レベル以上の精度が要求される第2計測条件とを含むようにしてあるので、例えば第1計測条件で大まかな物体表面の平均的な高さの計測を行い、第2計測条件で例えばEGA計測直前の精度が要求されるフォーカス計測を行うことが出来る。
請求項6に記載の位置計測装置によれば、フォーカス状態検出センサが、nライン×m列のピクセルを備え、計測モードが、各ライン内のピクセルに蓄積された光量に相当する信号を所定時間毎に所定ラインずつ順次加算を繰り返す第1計測モード(TDI(Time Delay Integration)計測モード)と、各ラインのピクセルに蓄積された光量に相当する信号を一度にnライン分加算する第2計測モード(WA(Wide
Aperture)計測モード)と、を含み、第1計測条件時には第1計測モードが設定され、第2計測条件時には第2計測モードが設定されるようにしてあるので、例えばEGA計測直前に行われる、フォーカス方向のズレ量の計測を、第2計測モード(WA計測モード)で計測することにより、計測が短時間(TDI計測モードで計測する場合の1/nの時間)で済み、例えばEGA計測時間を短縮することが可能となる。
請求項7に記載の露光装置によれば、請求項1乃至6の何れか一項に記載の位置計測装置を有し、該位置計測装置を用いて位置計測用パターンを計測した結果に基づいて位置決めされた被露光基板上にマスクパターンの像を転写するようにしてあるので、位置計測用パターンの位置計測の直前に行われるフォーカス方向のズレ量の計測時間を短縮して、装置のスループット性を向上させることができ、また合焦した状態(ピントが合った状態)で位置計測用パターンの計測、例えばEGA計測が行え、その結果、マスクパターンの重ね合わせ精度を向上させることが出来る。
請求項8に記載の露光装置によれば、フォーカス状態検出センサが、被露光基板上に投影された複数のライン像を検出することによりズレ量を計測するので、1本のライン像を計測する場合に比して計測誤差が少なく、計測信頼性があり、また被露光基板上に投影される複数のライン像の各長手方向が、被露光基板上のマスクパターンの像が転写される領域間のストリートラインに対して10度乃至35度又は55度乃至80度傾斜するようにしてあるので、仮にライン像の一部がマスクパターン像上に重なることがあっても、これによって生じる計測信号変形量が小さく、結果として計測精度に与える影響を少なくすることが出来る。
請求項9に記載の露光方法によれば、被露光基板上に形成された位置計測用パターンを、請求項1乃至6の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測し、この計測結果に基づいて位置決めされた被露光基板上に、マスクパターンの像を転写するので、位置計測用パターンの位置計測の直前に行われるフォーカス方向のズレ量の計測時間を短縮して、露光処理のスループット性を向上させることが出来る。また合焦した状態(ピントが合った状態)で位置計測用パターンの計測、例えばEGA計測が行え、その結果、マスクパターンの重ね合わせ精度を向上させることが出来る。
以下本発明の位置計測装置、該位置計測装置を備えた露光装置及び該位置計測装置を使用する露光方法の実施形態について図1乃至図10を参照して説明する。
図1は本発明の位置計測装置(FIA(Field Image Alignment)センサ30及びAF(Alignment Auto Focus)センサ60)及びこの位置計測装置を装備した露光装置の一実施形態を示す全体構成図、図2は図1の位置計測装置及び露光装置を使用して行う本発明の露光方法の一実施形態を示すフローチャート、図3は図1に示すフォーカス状態検出センサとしてのAFセンサの送光系の概略図、図4は同AFセンサの受光系の概略図、図5はAFセンサによるズレ量計測の原理説明図、図6は回路パターンと位置計測用パターン(アライメントマークAM1,AM2)及びAFマーク(線幅の異なる複数のライン像:スリット像SI)の配置関係を示す説明図、図7はスリット像の詳細図、図8(A)乃至(C)は位置計測用パターンの詳細図、図9(A)はスリット像をショット領域間のストリートラインに対して30度傾斜させることによってもたらされる信号変形誤差の低減を説明する説明図、図9(B)はスリット像をストリートラインに対して僅か(3度程度)しか傾斜させない場合における信号変形誤差の説明図、図10はAFセンサの計測信号を補正演算処理する説明図である。
まず本実施形態の位置計測装置及び露光装置の全体構成及び動作について、図1を参照して説明する。
本実施形態においては、位置計測装置(FIAセンサ30とAFセンサ60)を備えた露光装置10を例に挙げて説明する。露光装置10は、マスクとしてのレチクルR上に形成されたマスクパターンとしての回路パターンを、ステップ・アンド・リピート方式またはステップ・アンド・スキャン方式により投影光学系PLを介して物体または被露光基板としてのウエハWの各ショット領域上に順次露光転写する縮小投影型の露光装置である。図1中、X軸及びZ軸は紙面に並行に設定され、Y軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。
図1において、照明光学系11から射出された露光光ELがほぼ均一な照度でマスクとしてのレチクルRを照明する。レチクルRはレチクルステージRS上に保持され、該レチクルステージRSはベース12上の2次元平面(XY平面)内で移動及び微小回転できるように支持されている。装置全体の動作を制御する主制御系50が、ベース12上の駆動装置15を介してレチクルステージRSの動作を制御する。
レチクルRに形成された回路パターンの像は投影光学系PLを介してウエハW上の各ショット領域に投影される。ウエハWには、各ショット領域の周辺部に例えば図8(A)に示すようなX軸方向の位置計測用とY軸方向の位置計測用(二次元計測用)のアライメントマーク(位置計測用パターン)AM1、AM2が形成されている。アライメントマークAM1はX軸方向の位置計測用であり、またアライメントマークAM2はY軸方向の位置計測用である。アライメントマークAM1は、X軸方向に沿って比較的狭い間隔をあけて配置した、Y軸方向に延びる互いに平行な複数本(例えば3本)の線状のマーク要素(ラインパターン)を2組、X軸方向に沿って比較的広い間隔をあけて配置することにより形成されており、各マーク要素は断面矩形状の溝から形成されている。アライメントマークAM2についても同様にY軸方向に沿って比較的狭い間隔をあけて配置した、X軸方向に延びる互いに平行な複数本(例えば3本)の線状のマーク要素を2組、Y軸方向に沿って比較的広い間隔をあけて配置することにより形成されており、各マーク要素は断面矩形状の溝から形成されている。なお、アライメントマークAM1,AM2として、図8(A)に示すもの以外に、例えば図8(B)に示すものや、図8(C)に示すものを用いてもよい。
ウエハWはウエハホルダー16を介してウエハステージWST上に載置されている。ウエハステージWSTは、投影光学系PLの光軸に垂直な面内でウエハWを2次元的に位置決めするXYステージ17、投影光学系PLの光軸に平行な方向(Z軸方向)にウエハWを位置決めするZステージ18及びウエハWを微小回転させる不図示のステージにより構成されている。
ウエハステージWST(XYステージ17)上には移動鏡19が固定され、この移動鏡19と対向するようにレーザ干渉計20が配置されている。なお、詳細に図示していないが、移動鏡19は、X軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びY軸に垂直な反射面を有する平面鏡により構成されている。また、レーザ干渉計20は、X軸に沿って移動鏡19にレーザビームを照射する2個のX軸用のレーザ干渉計及びY軸に沿って移動鏡19にレーザビームを照射する2個のY軸用のレーザ干渉計により構成されている。X軸用の1個のレーザ干渉計及びY軸用の1個のレーザ干渉計により、ウエハステージWSTのX座標及びY座標が計測される。また、X軸用の2個のレーザ干渉計の計測値の差によりウエハステージWSTの回転角が計測される。
レーザ干渉計20により計測されたX座標、Y座標及び回転角の情報は主制御系50に送られ、該主制御系50は送られた座標をモニターしつつ制御部52から駆動系21を介してウエハステージWSTの位置決め動作を制御する。図示していないが、レチクル側にもウエハ側と同様の干渉計システムが設けられている。
投影光学系PLの側方には、FIAセンサ30が配置されている。このFIAセンサ30では、ブロードバンド光を発生するハロゲンランプ等の光源31からの照明光ILが、コリメータレンズ32によって平行光に変換され、ハーフプリズム33で反射された後、さらにミラー34で反射されて対物レンズ35に至り、該対物レンズ35により集光されて、ウエハW上のアライメントマークAM1、AM2を照明する。照明光ILがアライメントマークAM1、AM2を照明すると、アライメントマークAM1、AM2からの反射光が対物レンズ35を介してミラー34によって反射された後、ハーフプリズム33を透過してミラー36に入射する。ミラー36に入射した反射光は、その光軸が折り曲げられて、Z軸方向へ進み、レンズ系37によって指標板38上に結像される。図示しないが、この指標板38には、アライメントマークAM1、AM2の位置情報を計測する際の基準となる指標マーク(図示せず)が形成されており、この指標マークは不図示の赤外光源(LED)からの赤外光により照明されている。指標板38は対物レンズ35とレンズ系37によってウエハWと光学的に共役関係に配置されている。ウエハWのアライメントマークAM1、AM2の反射光像と指標マークの像は、リレーレンズ系39,40,41及びハーフプリズム42を介して、受光素子であるCCDカメラ43,44及び不図示の指標用カメラ(CCD)の撮像面にそれぞれ結像される。すなわち、リレーレンズ系39からの光は、その一部がハーフプリズム42で反射されてリレーレンズ系40を介してアライメントマークAM1を撮像するX軸ファイン計測用CCDカメラであるCCDカメラ43の撮像面に導かれ、また他の部分がハーフプリズム42を通過してリレーレンズ系41を介してアライメントマークAM2を撮像するY軸ファイン計測用CCDカメラであるCCDカメラ44の撮像面に導かれる。
CCDカメラ43,44及び指標用カメラは撮像面に結像した光学像を電気信号に変換(光電変換)し、これを画像信号(計測信号)として主制御系50の位置演算部51に送る(出力する)。
位置演算部51は、CCDカメラ43,44から出力された画像信号に種々の信号処理を施してアライメントマークAM1、AM2の位置情報を演算して求めて、この位置情報を主制御系50の制御部52に出力する。
制御部52は、位置演算部51からの、アライメントマークAM1、AM2の位置情報に基づいて駆動系21を介してウエハステージWSTを駆動し、ウエハW上に設定されたショット領域を投影光学系PLの露光位置に合わせ込む。この後、露光光ELをレチクルRに露光してレチクルRに形成された回路パターンの像をウエハW上に転写して露光処理が行われる。
次に、本発明の特徴部分であるAFセンサ(フォーカス状態検出センサ)60について説明する。
AFセンサ60は、上述したFIAセンサ30内に内蔵されており、アライメントマークAM1,AM2の計測前に、CCDカメラ43,44の撮像面(受光面)の位置と、ウエハWの表面位置との間の、フォーカス方向におけるズレ量を計測するものである。
AFセンサ60によるズレ量の計測信号は主制御系50の制御部52に送られる。制御部52では、AFセンサ60からの計測信号に基づいて駆動系21を介してウエハステージWST(Zステージ18)をZ方向に移動させて合焦を行う。
図5(A)、(B)は瞳分割方式の計測原理を示しており、CCDカメラの撮像面の位置とウエハWの表面からの反射光像の結像位置との間のフォーカス方向におけるズレ量(デフォーカス量)を、AFセンサの受光素子であるCCDカメラの受光面上に撮像される、スリット像SIの間隔Dの変化として検出するようにしてある。ズレ量のない図5(A)に示す状態から、例えば、同図(B)に示すようにマイナス(−)方向(CCDカメラの受光面から離れた方向)にデフォーカスすると、瞳分割ミラーPDにより2分割されたスリット像間の間隔が、間隔Dから間隔dと狭くなる。これに対し、プラス(+)方向(CCDカメラの受光面に接近する方向)にデフォーカスすると、瞳分割ミラーPDにより2分割されたスリット像間の間隔が広くなる。したがって、CCDカメラの受光面上に撮像されたスリット像間の間隔を計測することにより、ズレ量を計測することができる。
本実施形態で使用するAFセンサ60は、この図5に示した瞳分割方式の原理を応用したものであり、瞳分割ミラーPDを用いる代わりにAFスリット像SI(図7参照)を異なる2方向からウエハW上に斜入射投影させて、それらのスリット像を1つのCCD61(AFセンサ60)で受光するように構成したものである。
本実施形態では、AFセンサ60は、独立した2つの送光系63と2つの受光系62を備え、2つの方向から各スリット光をウエハWの一点に照射する一方、該一点から2つの方向に分岐した反射光を受光しているが、2つの光軸は瞳の位置で結合されている。このように2つの送光系63と2つの受光系62を備え、2つの方向から光を一点に照射し、該一点から2つの方向に反射光を分岐しているのは、AFセンサ60の位置が仮に移動した場合であっても、スリット像を採取してズレ量を正確に計測することができるからである。
次に送光系(照明系)63と受光系62について図3、図4を参照して説明する。
FIA30の光源31から分岐した一部の照明光ILが、図3に示すように、送光部63の光ファイバからなるライドガイド64a、64bを介して2つに分割され、この分割された照明光ILが、それぞれ照明コンデンサレンズ65a、65bを介してマルチスリット66a、66bを通ってスリット光となり、この2つのスリット光が、さらに送光レンズ67a、67b、プリズム68a、68b、69a、69b及びスリット合成レンズ70を介して2方向からウエハWの表面の適宜箇所(図6参照)に重ねて照明され、ウエハWの表面の適宜箇所に2つのスリット像SI(図7参照)が重ねて投影される。
図6はウエハWの表面に投影されたスリット像SIを示している。スリット像SIは、ショット領域間のストリートラインSL上に形成されている位置計測用パターンAM1、AM2の近傍に投影される。スリット像SIを位置計測用パターンAM1、AM2の近傍に投影するのは、FIAセンサ30の計測視野(検出視野)内に位置計測用パターンAM1、AM2が入った状態でフォーカス計測、合焦動作を行うためであり、これによりFIAセンサ30が合焦した状態(ピントが合った状態)で位置計測用パターンAM1、AM2を計測することができるからである。
ウエハW上に重ね合わせて投影された2つのスリット像SIの反射光は、図4に示すように、2つに分割されてそれぞれスリット合成レンズ70、プリズム69a、69b、68a、68b、送光レンズ67a、67bと送光の光路と同じ光路を通り、さらに受光系62のプリズム71a、71b、72a、72bにより光路が屈曲されて、CCDカメラ61の受光面上に撮像され、光電変換されて撮像信号(計測信号)となる。この撮像信号は上述の如くCCDカメラ61から制御部52に送られ、該制御部52で2つのスリット像の間隔からズレ量を零にする、Zステージ18の移動量(光軸方向の移動量)が演算される。
ウエハW上に投影されるスリット像SIは、図7に詳細に示すように、互いに並行で且つ線幅の異なる複数本(図7では7本)のライン像からなり、両側の2本のライン像の線幅が所定値よりも大きく、内側の5本のライン像の線幅が所定値以下に設定されている。
所定レベル以下の精度で許容されるラフ計測など(後述する第1計測条件の一種)においては、両側にある線幅の広い2本のライン像が使用され、また所定レベルの計測が要求されファイン計測など(後述する第2計測条件の一種)においては、内側の線幅の細い5本のライン像が使用される。すなわち、スリット像SIは、ラフ計測とファイン計測の双方に対応することができるようにしてある。
また、スリット像SIは、図6及び図7に示すように、ウエハWのショット領域間のストリートラインSLに対し、又は該ストリートラインSLに沿って(並行に)形成されたアライメントマークAM1,AM2に対して、例えば30度(60度)の角度で傾斜している。このようにスリット像SIをストリートラインSL等に対して大きく傾斜させるのは、スリット像SIの一部がウエハWに既に転写されたパターン上に重なって投影されても信号変形誤差が小さくて済むようにするためである。なお、図7にはファインアライメント計測を行う際の計測視野Fも示されている。
図9はスリット像SIの一部がウエハWに既に転写されたパターンに重なることにより生じる信号の変形を示している。
図9(B)に示すようにスリット像SIがストリートラインSL或いはアライメントマークAM1,AM2(図6、図7参照)に対して僅かしか傾斜していないと、該スリット像SIの一部がウエハWに既に転写されたパターンに重なったとき、スリット像SIを光電変換して得られた信号は同図に示すように変形が大きく、計測誤差を誘発するおそれが大きい。
これに対し、図9(A)に示すように、スリット像SIをストリートラインSL或いはアライメントマークAM1,AM2(図6、図7参照)に対して例えば30度(60度)の角度で大きく傾斜させると、該スリット像SIの一部がウエハWに既に転写されたパターンに重なっても、スリット像SIを光電変換して得られた信号は同図に示すように変形が少なくて済み、結果として計測精度に与える悪影響が小さくて済む。
次に、CCDカメラ61について説明すると、CCDカメラ61は、非計測方向に96行(ライン)、計測方向に1024列のピクセル(96×1024)を有した2次元CCDカメラであり、入力した計測信号を処理する方法として、各ライン上のピクセルに蓄積された光量に相当する電荷(信号)を所定時間毎に1ラインずつ順次加算を繰り返す(電荷を順次転送して加算を繰り返す)、第1計測モードとしてのTDI(Time Delay Integration)計測モードと、各ライン上のピクセルに蓄積された光量に相当する電荷(信号)を96ライン分一度に加算(電荷を一度に転送して加算)する、第2計測モードとしてのWA(Wide
Aperture)計測モードと、を含み、このTDI計測モードとWA計測モードを計測条件に合わせて切り換えできるように構成してある。
計測条件としては、二次元平面内を移動するXYステージ17の該二次元平面内の移動動作と並行してAFセンサ60による検出を行う第1計測条件と、XYステージ17の静止中にAFセンサ60による検出を行う第2計測条件とがあり、第1計測条件では第1計測モードであるTDI計測モードが採用され、また第2計測条件では第2計測モードであるWA計測モードが採用される。
XYステージ17の移動動作と並行してTDI計測モードでウエハWの表面の計測(検出)を行う場合にあっては、96ライン分の計測時間内にXYステージ17が移動した範囲にわたってのウエハWの表面の平均的な高さを計測していることになる。したがって、ウエハWの局地的な形状の影響を抑えることができる。
ウエハWをウエハステージWSTにロードした直後においてウエハWの表面のおおよその高さを計測する際には、ウエハWの厚みに平均的なばらつき(±20μm程度)を計測することになるので、ある程度広い範囲を平均的に計測することができるTDI計測モードの方が有利である。例えば、WA計測モードでの計測時間が1msecで、XYステージ17がXY方向に500mm/secで等速移動していた場合にあっては、WA計測モードでは0.5mmしか平均化できないのに対し、TDI計測モードでは、48mmにわたって平均化することができる。しかし、TDI計測モードで計測を行う場合、ウエハWがAFセンサ60の計測領域内に入ってから計測を開始することになるので、AFセンサ60がウエハWの計測結果を出力するのは、ウエハWの端部がAFセンサ60の計測領域内に入ってから最短でも96ライン分の信号を計測する時間(例えば上述したWA計測モードでの計測時間が1msecの場合にあっては96mmsecが経過してからとなる。
XYステージ17の移動中に行う計測では、高精度の計測結果が得られないことから、所定レベル以下の精度で許容される場合、例えば上述したようにウエハWの表面の平均的な高さを計測する場合に適用するのが好ましい。
XYステージ17の静止中、WA計測モードで計測(検出)を行う場合にあっては、XYステージ17が静止していることから、高精度の計測が期待でき、所定レベルの計測が要求される場合、例えばEGA計測でアライメントマークAM1,AM2を計測する直前のフォーカス計測を行う場合に適用するのが好ましい。
図10はCCDセンサ61により計測された信号の補正演算処理を示している。CCDセンサ61により計測される信号にはAFセンサ60の光学系のフレアが混入しており、CCDカメラ61から計測信号が制御部52に送られると、制御部52では、このフレアを除去すべく補正演算処理を施す。すなわち、CCDカメラ61の元信号からフレア信号を除去し、この除去の際、センサ露光時間を考慮して補正演算処理を施した後、位置計測(フォーカス計測)に使用するようにしている。フレア信号は、ウエハWがない状態で計測したときの計測信号で、予め採取されて制御部52のメモリにストアされており、補正演算処理を施す際にメモリから読み出されて使用される。補正された計測信号は、瞳面で分割されているので、図10に示すように2つの信号成分に分かれている。なお、CCDセンサ61自体にも時間的に変化しない高周波ノイズが固定ノイズとして含まれることがあるので、この固定ノイズをフレア信号と同様に予め採取し、制御部52のメモリにストアしておき、計測信号を補正演算処理する際、除去することもできる。
次に、図2を参照して本発明の露光方法の一実施形態を説明する。
ステップS100で、ウエハWをウエハステージWST上にロードする。
次いで、ステップS101で、AFセンサ60の計測モードをTDI計測モードに切り換え、XYステージ17をXY平面(二次元平面)内で移動させつつ、スリット像SIをウエハWの表面に投影する一方、スリット像SIのラフ計測を行う。すなわち、スリット像SIのうち、両側に位置する線幅の広い2本のライン像からの反射光像を順次CCDカメラ61で撮像し、この撮像信号(計測信号)を演算処理することにより、ウエハW表面の大まかな高さ分布(ウエハW表面の平均高さ)を求める。具体的には、各ラインに蓄積された光量に相当する電荷(信号)を所定時間毎に1ラインずつ順次加算を繰り返して計測信号を得て、この計測信号を制御部52に送り、制御部52で演算処理することにより、ウエハWの表面の平均高さを求める。
次いで、ステップS102で、ステップS101でのウエハWの表面の高さ分布の計測結果に基づいて制御信号が制御部52から駆動系21に送られ、駆動系21によりZステージ18をZ軸方向に駆動して、ウエハWの表面をFIAセンサ30、AFセンサ60のZ方向における有効計測領域(範囲)の中央付近に引き込む。
ステップS101でウエハWの平均的な高さを求め、ステップS102でウエハWの表面をFIAセンサ30、AFセンサ60の有効計測領域(範囲)の中央付近に引き込むのは、ウエハWの厚みにはばらつきがあり、ウエハステージWSTにロードした直後には、ウエハWの表面は厚みの誤差(ばらつき)分だけ露光装置10の各種センサの計測範囲から外れた状態になっていることがあり、またFIAセンサ30は勿論のこと,AFセンサ60についても正確な計測が行えるZ軸方向の範囲には限りがあるため、計測に先立ちウエハWの表面をFIAセンサ30などの有効計測範囲の中央付近に引き込む必要があるためである。
次いで、ステップS103で、XYステージ17を駆動して、ウエハW上のアライメントマークAM1,AM2がFIAセンサ30の撮像面(CCDカメラ43,44の検出視野/ファインアライメント計測する際の計測視野F)内に入った状態にし、AFセンサ60の計測モードをWA計測モードに切り換える。そして、この状態でXYステージ17を停止させ、スリット像SIを位置計測用パターンであるアライメントマークAM1,AM2の近傍のウエハWの表面に投影し、このスリット像SIのファイン計測を行う。すなわち、スリット像SIのうち、内側に位置する線幅の狭い5本のライン像からの反射光像をCCDカメラ61の受光面上に撮像し、光電変換した撮像信号(計測信号)を得る。このとき、各ラインに蓄積された光量に相当する電荷である信号を、所定時間毎に順次1ラインずつ加算を繰り返すのではなく、96ライン分一度に加算して計測信号を求める。そして、この計測信号を制御部52で演算処理して、CCDカメラ43,44の撮像面(受光面)の位置とアライメントマークAM1,AM2の反射光像の結像位置との間のフォーカス方向におけるズレ量を計測(フォーカス計測)し、このズレ量に基づいて制御部52から駆動系21に制御信号が送られ、駆動系21によりZステージ18をZ方向に移動させて合焦動作を行う。
このように、WA計測モードで撮像信号を処理する場合には、1ライン分の電荷転送時間でTDI計測モードと同等の信号強度が得られることから、計測時間の大幅な短縮を図ることができる。換言すると、例えばCCDカメラ61の受光面のピクセルのライン数が96ある場合、TDI計測モードに比して計測時間を最高で理論上96分の1短縮することができる。
次いで、ステップS104で、合焦した状態でアライメントマークAM1,AM2の位置を計測する。
アライメントマークAM1,AM2の位置の計測は、各ショット領域に形成された全てのアライメントマークAM1,AM2について行うのではなく、その内の幾つかのショット領域を選択して、この選択されたショット領域(サンプルショット領域)のアライメントマークAM1,AM2について計測を行う(EGA計測)。
EGA計測では、対象となった(選択された)複数のショット領域のアライメントマークAM1,AM2についてそれぞれ計測を行うが、各アライメントマークAM1,AM2の計測を実行する前には、必ずステップS103でフォーカス計測、合焦動作を行う。すなわち、同じフォーカス状態で各アライメントマークAM1,AM2の計測を行う(各アライメントマークAM1,AM2間でFIAセンサ60の計測条件が一定になるようにして計測を行う)。
次いで、ステップS105で、ステップS104で行ったアライメントマークAM1,AM2の計測結果に基づいて、ウエハWの残存回転誤差、ウエハWの線形伸縮、ウエハWのオフセットなどを求め、ウエハWの全てのショット領域を位置決めする。
次いで、ステップS106で、レチクルR上の回路パターンをウエハWのショット領域上に露光転写する露光処理が行われ、ステップS107で露光処理を継続するか否かが判断され、継続する場合にはステップS106に戻り、露光処理が行われ、継続しない場合には、露光処理が終了する。
上述したように本実施形態の露光方法によれば、AFセンサ60(CCDカメラ61)の計測モードを計測条件にあわせて切り換えるようにしてあるので、例えばウエハWのロード直後に行われるウエハW表面の平均的な高さを計測する場合にあってはTDI計測モードで計測を行い、またアライメントマークAM1,AM2の計測前に行われる、計測精度が要求されるフォーカス計測ではWA計測モードで行うことができる。すなわち、計測条件にあった最適な計測モードで計測を行うことができる。
また、アライメントマークAM1,AM2の計測前に行われるフォーカス計測では、WA計測モードで計測を行うので、高精度で且つ短時間で計測が行え、しかもこのアライメントマークAM1,AM2の計測前に行われる、フォーカス計測は、各アライメントマークAM1,AM2毎に行うので、計測回数が非常に多く、このフォーカス計測で計測時間の短縮ができることは、ウエハアライメントの大幅な時間短縮につながり、結果として露光処理のスループット性を向上させることなる。
なお、上記した実施形態では、AFセンサ60の受光素子として2次元CCDカメラ61を使用した場合を示したが、スリット像SIはズレ量に応じて一方向に移動するだけなので(図5の計測原理説明図参照)、センサからの出力は一次元信号でよく、この一次元信号が得られる単純なラインセンサでもよい。
ただ、本実施形態で示したように短時間で高感度(高い信号強度)の計測が行える、上述した2次元CCDカメラ61を使用するのが好ましい。
また、スリット像SIをストリートラインSLに対して30度(60度)傾斜させた場合を示したが、これに限定されない。要は10度乃至35度又は55度乃至80度の範囲内で傾斜していれば、スリット像SIの一部が既に転写されたパターンに重なっても計測信号の変形を可及的に少なくすることができる。なぜならば、通常のデバイスパターンはスリットラインに対して直交するパターン(0度、90度)や45度の斜めのパターンが採用されていることが多く、スリット像を上記角度で傾斜させることにより、このデバイスパターンの影響による計測誤差を低減させることができるからである。
また、EGA計測に際してのフォーカス計測の場合においてWA計測モードに切り換えた場合を示したが、これに限定されない。計測精度が要求される他のフォーカス計測においてもWA計測モードに切り換えることができる。
本発明の位置計測装置(FIA30及びAFセンサ60)及びこの位置計測装置を装備した露光装置の一実施形態を示す全体構成図である。 図1の位置計測装置及び露光装置を使用して行う本発明の露光方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図1に示すAFセンサの送光系の概略図である。 図1に示すAFセンサの受光系の概略図である。 AFセンサによるズレ量の計測原理説明図である。 回路パターンと位置計測用パターン及びAFマーク(線幅の異なる複数のライン像:スリット像)の配置関係を示す説明図である。 スリット像の詳細図である。 (A)位置計測用パターンの詳細図である。(B)位置計測用パターンの詳細図である。(C)位置計測用パターンの詳細図である。 (A)はスリット像をショット領域間のストリートラインに対して30度傾斜させることによってもたらされる信号変形誤差の低減を説明する説明図である。(B)はスリット像をストリートラインに対して僅か(3度程度)しか傾斜させない場合における信号変形誤差の説明図である。 AFセンサの計測信号を補正演算処理する説明図である。
符号の説明
10 露光装置
17 XYステージ
18 Zステージ
30 FIAセンサ(パターン検出センサ)
43 CCDカメラ(受光素子)
44 CCDカメラ(受光素子)
50 主制御系
60 AFセンサ(フォーカス状態検出センサ)
61 CCDカメラ
AM1 アライメントマーク(位置計測用パターン)
AM2 アライメントマーク(位置計測用パターン)
SI スリット像
R レチクル
W ウエハ

Claims (9)

  1. 二次元平面内を移動するステージ上に載置された物体の該二次元平面内における位置を計測する位置計測装置であって、
    前記物体上に形成された位置計測用パターンに計測ビームを照射し、該計測ビームの照射を受けて該位置計測用パターンから生じたパターンビームを受光素子で受光し、その受光量に応じて光電変換信号を出力するパターン検出センサと、
    前記受光素子の受光面の位置と、前記パターンビームの結像位置との間の、フォーカス方向におけるズレ量を計測するフォーカス状態検出センサと、を有し、
    前記フォーカス状態検出センサは複数の計測モードで使用可能であり、該フォーカス状態検出センサが計測に供される時の使用条件に応じて、該複数の計測モード中の任意の計測モードに切り換え設定されることを特徴とする位置計測装置。
  2. 前記使用条件は、前記ステージの前記二次元平面内の移動動作と並行して前記フォーカス状態検出センサによる検出を行う第1計測条件と、前記ステージの静止中に前記フォーカス状態検出センサによる検出を行う第2計測条件と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
  3. 前記第2計測条件下では、前記位置計測用パターンは前記パターン検出センサの検出視野内に位置決めされていることを特徴とする請求項2に記載の位置計測装置。
  4. 前記フォーカス状態検出センサは、前記物体上に投影された互いに線幅の異なる複数のライン像を検出することにより前記ズレ量を計測するセンサであり、
    前記使用条件は、前記複数のライン像のうち線幅が所定値よりも大きいライン像を検出する第1計測条件と、前記線幅が前記所定値以下のライン像を検出する第2計測条件と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
  5. 前記使用条件は、前記ズレ量の検出精度として所定レベル以下の精度で許容される第1計測条件と、前記所定レベル以上の精度が要求される第2計測条件と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
  6. 前記フォーカス状態検出センサはnライン×m列(n,mは共に2以上の自然数)のピクセルを備えており、
    前記計測モードは、前記各ライン内のピクセルに蓄積された光量に相当する信号を所定時間毎に所定ラインずつ順次加算を繰り返す第1計測モードと、前記各ラインのピクセルに蓄積された光量に相当する信号を一度にnライン分加算する第2計測モードと、を含み、
    前記第1計測条件時には前記第1計測モードが設定され、前記第2計測条件時には前記第2計測モードが設定されることを特徴とする請求項2乃至5の何れか一項に記載の位置計測装置。
  7. マスクパターンを照明して、該マスクパターンの像をステージ上に搭載された被露光基板上に転写する露光装置であって、
    請求項1乃至6の何れか一項に記載の位置計測装置を有し、
    前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする露光装置。
  8. 前記位置計測装置が備えている前記フォーカス状態検出センサは、前記被露光基板上に投影された複数のライン像を検出することにより前記ズレ量を計測するセンサであり、
    前記被露光基板上に投影される前記複数のライン像の各長手方向は、前記被露光基板上の前記マスクパターンの像が転写される領域間のストリートラインに対して10度乃至35度又は55度乃至80度傾斜していることを特徴とする請求項7に記載の露光装置。
  9. マスクパターンを照明して、該マスクパターンの像をステージ上に搭載された被露光基板上に転写する露光方法であって、
    前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを、請求項1乃至6の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測し、
    前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする露光方法。
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