JP2008294302A - 位置合わせ装置及び位置合わせ方法、露光装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結像光学系の伝達特性を高精度に検出し、装置起因の誤差（ＴＩＳ）により劣化したアライメント検出信号を復元することで、位置決め精度を向上する技術の実現。
【解決手段】本発明の位置合わせ装置は、物体に形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記物体を保持するステージを制御して当該物体を位置合わせする装置であって、入力信号としてＭ系列信号を形成するように構成された前記マークから、出力信号としての前記マークの像を形成する結像光学系と、前記結像光学系を介して前記マークの像を撮像して、前記出力信号としての前記マークの像を検出するマーク検出部と、前記出力信号から前記結像光学系の伝達特性を算出する伝達特性算出部と、前記伝達特性と前記出力信号とから前記結像光学系に入力される前記入力信号を復元する復元部と、前記復元部で復元された入力信号に基づいて前記マークの位置を検出し、前記ステージを制御して前記物体を位置決めする制御部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系の伝達特性を利用して物体の位置を検出し位置合わせする技術に関する。

図１５において、結像光学系が線形で且つシフトインバリアントであると仮定し、結像光学系への入力信号をｆ（ｘ）、結像光学系の伝達特性をｈ（ｘ）、結像光学系で結像された後の出力信号をｇ（ｘ）とすると、一般的に、ｇ（ｘ）は、式１で表される。

式１に示すように、ｇ（ｘ）は、ｆ（ｘ）とｈ（ｘ）のコンボリューションによって表される。ここで、伝達特性が既知であれば、逆フィルタやウィナーフィルタ等を用いて出力信号から入力信号を復元する、いわゆる画像復元が広く行われている。また、この伝達特性を求めるために、入力信号としてインパルス信号（デルタ関数）をシステムに入力し、直接インパルス応答を求める方法が一般的に行われている。

一方、露光装置においては、近年の電子機器の高性能化及び低価格化に伴い、機器に実装される半導体デバイス製造にも、高精度のみならず生産の効率化が必要とされている。そして、半導体デバイスの回路パターンを露光する露光装置にも、高精度且つ効率的な製造が要求されている。半導体デバイス製造では、レチクルやマスク等（以下、レチクル）に形成された回路パターンを感光性材料（以下、レジスト）が塗布されたウエハやガラスプレート等（以下、ウエハ）に転写する工程が行われる。一般に、回路パターンを高精度で露光するためには、レチクルとウエハの相対的な位置合わせ（アライメント）を高精度に行うことが重要である。

従来のアライメント方法では、レチクル上の回路パターンの露光転写と同時に、アライメントマークをウエハ上に露光転写する。そして、アライメントマークの全ショットの中から、事前に設定された複数のアライメントマークの位置をアライメント検出系によって順次検出する。そして、この検出結果を統計的に処理して全ショットの配列を算出し、その算出結果に基づいてレチクルに対するウエハの位置決めが行われる。

このアライメントマークは、レチクルとウエハとを高精度に位置決めする指標であって、回路パターンの微細化に伴って、アライメントマークにも高精度なものが要求されている。また、近年では、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の半導体製造技術が導入されている。これに伴い、ウエハ間やショット間でアライメントマークの形状ばらつき等のウエハプロセスに起因する誤差（ＷＩＳ：Wafer Induced Shift）が発生し、アライメント精度を劣化させている。

これに対し、従来では、オフセット補正によってＷＩＳを補正していた（例えば、特許文献１参照）。「オフセット補正」とは、アライメントマークの本来あるべき位置（真値）と、実際に検出されたアライメントマーク位置とのずれ量であるオフセット量を算出し、そのオフセット量に基づいて補正する方法である。

また、アライメントマーク位置検出方法に関する従来技術としては、例えば、特許文献２及び３がある。
特開２００４−１１７０３０号公報 特開平０６−１５１２７４号公報 特開平０８−０９４３１５号公報 特願２００６−０９５８５４号公報

しかしながら、上記のようなオフセットが発生する原因は、ウエハプロセスに起因する誤差（ＷＩＳ）だけではない。例えば、露光装置のアライメント検出系に起因する誤差（ＴＩＳ：Tool Induced Shift）や、ＴＩＳとＷＩＳとの相互作用による誤差（TIS-WIS Interaction）もアライメント精度を劣化させる場合がある。ＷＩＳとしては、アライメントマークの段差、非対称性、レジストの塗布むらが挙げられる。ＴＩＳとしては、アライメント検出系のコマ収差や球面収差が挙げられる。

近年、アライメント検出系は高ＮＡ化されているが、ＴＩＳを完全にゼロにすることはできない。そのため、ＴＩＳ−ＷＩＳ相互作用によりＷＩＳが存在した場合（例えば、低段差マークやレジストの塗布ムラ等）に、オフセット量が大きくなりアライメントマークの高精度な位置検出ができない場合がある。

図１０を参照すると、光学系は同じであっても、ＴＩＳが存在するために、図１０（ａ）のような通常の段差のアライメントマークにおけるオフセット量よりも、図１０（ｂ）のような低段差のアライメントマークにおけるオフセット量が大きくなっている。

装置起因の誤差（ＴＩＳ）は、上述の伝達特性ｈ（ｘ）に含まれる。伝達特性を算出し、逆フィルタやウィナーフィルタ等を用いて出力信号から入力信号を復元することができれば、復元された入力信号におけるＴＩＳの影響は限りなく小さくなり、ＴＩＳ−ＷＩＳ相互作用によるオフセット量を小さくすることが期待できる。

光学系の伝達特性検出方法として、特許文献４には、インパルス信号を空間軸で引き伸ばした信号（以下、空間伸張パルス）を利用する方法が記載されている。この方法は、図１８に示すように、基板ステージ３２０上に基準台３３０を配置し、基準台３３０上に液晶格子３４５を配置し、液晶格子３４５が不図示のコントローラ及びドライバを介して空間伸張パルス信号を作成する。そして、結像光学系３５０（対物レンズ３５１とレンズ３５２を含む）の伝達特性は、アライメント検出用の照明光学系３１０とは別の透過照明光学系３９０により落射照明され液晶格子３４５により作成された空間伸張パルス信号を利用して算出される。即ち、この空間伸張パルス信号を結像光学系３５０により結像させた像をＣＣＤ等の撮像センサ３６０で撮像し信号処理して得られる像情報を利用して結像光学系３５０の伝達特性が算出される。

しかしながら、液晶格子３４５の計測方向の分解能があまり高くないために、結像光学系３５０が高倍率である場合には、光学系による空間伸張パルス信号の像が撮像センサ３６０の計測範囲に収まらない場合がある。例えば、液晶格子３４５の計測方向の分解能が１μｍで光学倍率３２０倍の光学系で、空間伸張パルス信号のデータ数を２５６データとすると、物体側データ長は１μｍ×２５６＝２５６μｍであり、像側データ長は２５６μｍ×３２０＝８１．８２ｍｍとなる。一方、撮像センサ３６０が８μｍピッチで有効画素が３２００画素とした場合でも、計測範囲は８μｍ×３２００＝２５．６ｍｍしかなく、像側データ長が撮像センサ３６０の計測範囲を超えている。

更に、液晶格子３４５は透過型であり、アライメント検出用の照明光学系３１０とは別の伝達特性検出用の透過照明光学系３９０を用いるために、伝達特性の検出結果に照明光学系の誤差が加わってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、結像光学系の伝達特性を高精度に検出し、装置起因の誤差（ＴＩＳ）により劣化したアライメント検出信号を復元することで、位置決め精度を向上する技術の実現をするものである。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の位置合わせ装置は、物体に形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記物体を保持するステージを制御して当該物体を位置合わせする装置であって、入力信号としてＭ系列信号を形成するように構成された前記マークから、出力信号としての前記マークの像を形成する結像光学系と、前記結像光学系を介して前記マークの像を撮像して、前記出力信号としての前記マークの像を検出するマーク検出部と、前記出力信号から前記結像光学系の伝達特性を算出する伝達特性算出部と、前記伝達特性と前記出力信号とから前記結像光学系に入力される前記入力信号を復元する復元部と、前記復元部で復元された入力信号に基づいて前記マークの位置を検出し、前記ステージを制御して前記物体を位置決めする制御部と、を有する。

また、本発明の位置合わせ方法は、物体に形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記物体を保持するステージを制御して当該物体を位置合わせする方法であって、入力信号としてＭ系列信号を形成するように構成された前記マークから、出力信号としての前記マークの像を形成する結像光学系を介して前記マークの像を撮像して、前記出力信号としての前記マークの像情報を検出するマーク検出ステップと、前記出力信号から前記結像光学系の伝達特性を算出する伝達特性算出ステップと、前記伝達特性と前記出力信号とから前記結像光学系に入力される前記入力信号を復元する復元ステップと、復元された入力信号に基づいて前記マークの位置を検出し、前記ステージを制御して前記物体を位置決めする制御ステップと、を有する。

また、本発明の露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置であって、上記位置合わせ装置と、前記位置合わせ装置により制御されるステージ装置と、を有し、前記位置合わせ装置により前記基板及び前記原版の少なくともいずれかに形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記ステージ装置を制御して前記基板及び前記原版を相対的に位置合わせして露光する。

また、本発明のデバイス製造方法は、上記露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップと、を有する。

本発明によれば、結像光学系の伝達特性を高精度に検出し、装置起因の誤差（ＴＩＳ）により劣化したアライメント検出信号を復元することで、位置決め精度を向上する技術を実現できる。

以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

また、本発明は、後述する実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記憶した記憶媒体を露光装置に供給し、そのコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても達成される。

［第１の実施形態］
先ず、本発明に係る第１の実施形態の伝達特性算出方法について説明する。

図１は、第１の実施形態の伝達特性算出方法を実現する位置合わせ装置の概略構成を示す図である。

図１において、ウエハステージ３２０上にはチャック３８０が設置され、チャック３８０上にはウエハ等の被撮像物３７０が保持されている。更にウエハステージ３２０上には基準台３３０が配置されており、基準台３３０上にはＭ系列で構成されたマーク３４０を含む基準プレート３３５が配置されている。尚、基準プレート３３５の表面と被撮像物３７０の表面とは同じＺ座標位置になるように調整されている。

照明光源３００はアライメント照明光学系３１０を通してビームスプリッタ３１５で反射され、対物レンズ３５１を通った後にＭ系列マーク３４０を落射照明する。Ｍ系列マークからの反射光は結像光学系３５０で結像され（具体的には、対物レンズ３５１、ビームスプリッタ３１５、レンズ３５２を通って）、出力信号としてＣＣＤ等の撮像センサ３６０により撮像される。

図１４は、基準プレート３３５の平面図を示しており、Ｘ方向計測用のＭ系列マーク３４０Ａと、Ｙ方向計測用のＭ系列マーク３４０Ｂとがそれぞれ、個別にＥＢ描画等で作成されている。基準プレート３３５は、石英基板上にＣｒやＴａを材料とするＭ系列マーク３４０が形成されたものであり、Ｍ系列マーク３４０のマークの部分（黒塗りの部分）は光を反射し、基準プレート３３５のそのマークの部分以外の領域は光を透過する。

図１４において、Ｘ方向計測用のＭ系列マーク３４０Ａは結像光学系３５０で結像された出力信号もＸ方向に広がりを持っている。そのため、撮像センサ３６０は、Ｘ方向に配列されたラインセンサ又は２次元センサのうちＸ方向のみを用いて処理を行っても良い。また、Ｙ方向の計測用のＭ系列マーク３４０Ｂの場合、撮像センサ３６０は、Ｙ方向に配列されたラインセンサ又は２次元センサのうちＹ方向のみを用いて処理を行えば良い。尚、基準プレート３３５のＭ系列マーク３４０のマークの部分以外の領域を透過した光が、基準台３３０で反射しないように構成されることが望ましい。具体的には、基準プレート３３５と基準台３３０の間に反射防止膜を設けたり、基準台３３０に中空部を設けてその中空部を構成する壁に反射防止膜を形成したりするとよい。

ここで、Ｍ系列信号（Maximum Length Sequence）は、２値（「０」と「１」）をとる白色性の擬似乱数信号である。

次に、Ｍ系列信号の周期（以下、系列長）が１５のＭ系列の発生原理について説明する。

Ｍ系列信号は、図１９に示すシフトレジスタと排他的論理和ゲートを用いて発生させることができる。図１９において、５００は４つのレジスタＲ１〜Ｒ４からなるシフトレジスタであり、５１０はレジスタＲ１とＲ４の排他的論理和を示す。先ず、レジスタＲ１〜Ｒ４に初期値を設定する。例えば（Ｒ４ Ｒ３ Ｒ２ Ｒ１）＝（１ ０ ０ ０）とする。

次のタイミングでは、Ｒ１からＲ４の値をそれぞれ矢印の方向へシフトさせる。このときＲ１の値が系列の一つ目として出力され、Ｒ４の値はＲ２とＲ１の値の排他的論理和の値となる。これを繰り返して出力系列をつなげると、「０００１００１１０１０１１１１」という系列長１５のＭ系列信号を発生させることができる。尚、シフトレジスタの数をｍとすると、系列長は（２m−１）となる。

次に、系列長が１２７のＭ系列信号の一例を図１１（ａ）に示し、そのフーリエ変換後の振幅特性と位相特性を図１１（ｂ）示す。

図１１（ｂ）に示すように、Ｍ系列信号はその振幅が全ての周波数においてゼロにならないという特性がある。

またＭ系列信号は前述の多階調の空間伸張パルスとは異なり、「０」と「１」からなる信号であるため、例えば、「０」は光を吸収、「１」は光を反射、に対応させれば、光学系の信号としては作成しやすいという利点がある。

次に、図２のフローチャートを参照して、第１の実施形態の伝達特性算出方法について説明する。

先ず、ステップＳ１００では、物体側のＭ系列信号３４０の計測方向の最小幅が像側のＣＣＤ等の撮像センサ３６０のｋ画素に相当するようにＭ系列信号を作成する。

具体的には物体側のＭ系列信号３４０の最小幅をｐ、結像光学系３５０の光学倍率をα、撮像センサ３６０の１画素の幅をｃ、ｋを自然数とすると、

を満たすように、物体側のＭ系列信号の最小幅ｐを決定する。

例えばｋ＝５、ｃ＝８［μｍ］、α＝３２０とすると、ｐ＝１２５［ｎｍ］である。

また、撮像センサ３６０の有効総画素数をＮ２、Ｍ系列信号の系列長をＮ１とすると、像側の撮像センサ３６０上でＭ系列信号に相当する領域は、ｋ×Ｎ１［画素］で、これが撮像センサ３６０の有効総画素数を超えてはいけないので、

を満たすことが条件となる。例えば、Ｍ系列信号の系列長が１２７、撮像センサ３６０の有効総画素数を３２００とすると、ｋ＜２５となる。

また、ｋが小さすぎると、例えばｋ＝１の場合、式２よりｃ＝８［μｍ］、α＝３２０として最小幅ｐ＝２５［ｎｍ］となり、ＥＢ描画による作成限界を超えている。

従って、Ｍ系列マークの作成限界と撮像センサの計測範囲の間に入るようにｋを決定することが望ましい。

次に、ステップＳ１１０では、物体側のＭ系列信号から光学倍率によって拡大された後の像側の分解能でのＭ系列信号を作成する。像側の分解能は、撮像センサ３６０の１画素の幅に相当する。

図１２（ａ）は系列長１２７の物体側のＭ系列信号が拡大された後の像側のＭ系列信号の例である。

但し、上記条件、ｋ＝５、ｃ＝８［μｍ］、α＝３２０、ｐ＝１２５［ｎｍ］の場合である。

次に、ステップＳ１２０では、像側の出力信号と像側のＭ系列信号とから像側の分解能での伝達特性、即ち結像光学系の伝達特性を算出する。

図１２（ｂ）は像側の出力信号の例である。ここで、像側の出力信号ｇ（ｘ）は、像側のＭ系列信号をｆ（ｘ）と像側の伝達特性をｈ（ｘ）とおくと、

の関係が成り立ち（＊はコンボリューション）、これをフーリエ変換して、

の関係が成り立つ。以下では、フーリエ変換をＦＴ（ ）で表す。

次に、式５において、ＦＴ（ｇ）、ＦＴ（ｆ）を計算してＦＴ（ｈ）を算出し、ＦＴ（ｈ）を逆フーリエ変換することで像側の伝達特性ｈ(ｘ)を算出する。

図１２（ｃ）は像側の伝達特性の一例である。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で求めた像側の伝達特性を用いて、逆フィルタやウィナーフィルタ等により後述するアライメント検出信号の復元処理を実行する。

［第２の実施形態］
次に、図３のフローチャートを参照して、第２の実施形態の伝達特性算出方法について説明する。

第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なり、物体側の分解能での伝達特性を算出してから像側の分解能での伝達特性を算出する方法である。ここで、物体側の分解能はＭ系列信号３４０の最小幅に相当し、像側の分解能は撮像センサ３６０の１画素の幅に相当する。

図３において、ステップＳ２００では、図２のＳ１００と同様に物体側のＭ系列信号の最小幅が像側のＣＣＤ等の撮像センサ３６０のｋ画素に相当するようにＭ系列信号を作成する。

次に、ステップＳ２１０では像側の出力信号のｋ画素のデータを平均して物体側の分解能に換算した第２の出力信号を作成する。

図１３（ａ）の丸印は第２の出力信号の例である。但し、条件は、ｋ＝５、ｃ＝８［μｍ］、α＝３２０、ｐ＝１２５［ｎｍ］の場合である。

次に、ステップＳ２２０では、第２の出力信号と物体側のＭ系列信号とから物体側の分解能での伝達特性を算出する。

ここで、物体側の分解能に換算した第２の出力信号をｇ’（ｘ）、物体側のＭ系列信号をｆ’（ｘ）、物体側の伝達特性をｈ’（ｘ）とおけば、

の関係が成り立ち（＊はコンボリューション）、これをフーリエ変換して

の関係が成り立つ。

式７において、ＦＴ（ｇ’）、ＦＴ（ｆ’）を計算してＦＴ（ｈ’）を算出し、ＦＴ（ｈ’）を逆フーリエ変換することで物体側の伝達特性ｈ’(ｘ)を算出する。図１３（ｂ）は物体側の伝達特性の一例である。

ここで、物体側のＭ系列信号のフーリエ変換ＦＴ（ｆ’）はその振幅特性がゼロでないという特徴があることから、式７から除算でＦＴ（ｈ’）を算出するときの誤差を小さくすることができ、より高精度な伝達特性を算出することができる。

次に、ステップＳ２３０では、Ｓ２２０で算出した物体側の伝達特性から像側の伝達特性を算出する。

ここで、物体側の伝達特性から像側の伝達特性を算出する方法は、各種の補間処理が利用でき、例えばsinc関数のコンボリューションやスプライン補間でも良い。

図１３（ｃ）はsinc関数のコンボリューションを利用して算出した像側の伝達特性の一例を示している。

ステップＳ２４０では、Ｓ２３０で算出した像側の伝達特性を用いて、逆フィルタやウィナーフィルタ等により後述のアライメント検出信号の復元処理を実行する。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態は、露光装置のアライメント検出系に、本実施形態の結像光学系の伝達特性算出方法を適用した例である。

図４は、本実施形態の位置合わせ方法を適用した露光装置の概略構成を示す図である。

図４において、露光装置１００は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式又はステップ・アンド・リピート方式でレチクルに形成された回路パターンをウエハに投影露光する。

また、露光装置１００は、投影光学系１２０と、ウエハチャック１４５と、ウエハステージ装置１４０と、アライメント検出系１５０（マーク検出部）と、アライメント信号処理部１６０と、制御部１７０とを有する。投影光学系１２０は、回路パターン等のパターンが描画されたレチクル１１０（原版）を縮小投影する。ウエハチャック１４５は、前工程で下地パターン及びアライメントマーク１８０が形成されたウエハ１３０（基板）を保持する。ウエハステージ装置１４０は、ウエハ１３０を所定の位置に位置決めする。アライメント検出系１５０は、ウエハ１３０上のアライメントマーク１８０の位置を検出する。尚、図４においては、光源及び光源からの光をレチクル１１０に照明する照明光学系は省略されている。

制御部１７０は、不図示のＣＰＵ、メモリ等を有し、露光装置１００の動作を制御する。制御部１７０は、不図示の照明装置、不図示のレチクルステージ装置、ウエハステージ装置１４０及びアライメント信号処理部１６０と電気的に接続されている。制御部１７０は、アライメント信号処理部１６０からのアライメントマークの位置情報に基づいて、ウエハステージ装置１４０を介してウエハ１３０の位置決めを行う。

次に、アライメントマーク１８０の検出原理について説明する。

図５は、アライメント検出系１５０の主要な構成要素を示す光路図である。

図５において、アライメント光源１５１からの照明光は、ビームスプリッタ１５２で反射され、対物レンズ１５３を通り、ウエハ１３０上のアライメントマーク１８０を照明する。アライメントマーク１８０からの光（反射光、回折光）は、対物レンズ１５３、ビームスプリッタ１５２、レンズ１５４を通り、ビームスプリッタ１５５で分割され、ＣＣＤ等の撮像センサ１５６，１５７でそれぞれ受光される。

ここで、アライメントマーク１８０は、レンズ１５３，１５４により３００倍程度の結像倍率に拡大され、撮像センサ１５６，１５７に結像される。撮像センサ１５６，１５７はそれぞれ、アライメントマーク１８０のＸ方向及びＹ方向のずれ検出用であり、光軸に対して９０度回転させて設置されている。撮像センサ１５６，１５７としては、ラインセンサを用いても良い。この場合、計測方向と垂直方向にのみにパワーを持つシリンドリカルレンズにより、計測方向と垂直方向に集光して光学的に積分し、平均化するのが好ましい。Ｘ方向及びＹ方向の計測原理は同様であるので、ここではＸ方向の位置計測についてのみ説明する。

図５に示すアライメントマーク１８０は、各ショットのスクライブライン上に配置されており、例えば、図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）、（ｂ）に示すようなアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂの形状を有する。尚、アライメントマーク１８０は、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを総称するものとする。ここで、図６（ａ）、（ｂ）は、アライメントマーク１８０Ａの平面図及び断面図であり、図５（ａ）、（ｂ）は、アライメントマーク１８０Ｂの平面図及び断面図である。図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、７（ｂ）において、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂは、等間隔で配置された４つのマーク要素１８２Ａ及び１８２Ｂを含む。尚、実際には、アライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂの上にはレジストが塗布されているが、図６及び図７では省略している。

アライメントマーク１８０Ａは、図６（ａ）に示すように、計測方向であるＸ方向に４μｍ、非計測方向であるＹ方向に２０μｍの矩形のマーク要素１８２ＡをＸ方向に２０μｍピッチで４つ並べて配置されている。マーク要素１８２Ａの断面構造は、図６（ｂ）に示すように凹状となっている。一方、アライメントマーク１８０Ｂは、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すマーク要素１８２Ａの輪郭部分を０．６μｍの線幅で置き換えたマーク要素１８２Ｂを４つ並べて配置されている。

図８は、図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）、（ｂ）に示すアライメントマーク１８０Ａ及び１８０Ｂを光学的に検出し、図５の撮像センサ１５６により撮像された典型的な結果を示すグラフである。図８に示す光学像は、アライメントマーク１８０のエッジ部での高周波成分がカットされているのが一般的である。これは、アライメントマーク１８０Ａ，１８０Ｂのいずれを利用した場合であっても、アライメント検出系１５０のレンズ１５３，１５４のＮＡに入らない大きな角度のエッジ部での散乱光が発生するからである。つまり、アライメントマークからの全信号、つまり全情報がアライメント検出系１５０を通過できないため、アライメント検出系１５０では必ず情報の劣化が発生し、高周波成分がカットされる。尚、アライメントマーク１８０Ａはその輪郭部が暗く、アライメントマーク１８０Ｂは凹部が暗く又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像の特徴といえる。このように撮像されたアライメントマーク１８０の画像データは、アライメント信号処理部１６０を介して信号処理が実行される。

図９は、アライメント信号処理部１６０の主な機能モジュールを示すブロック図である。

図９において、撮像センサ１５６，１５７からのアライメント検出信号は、Ａ／Ｄ変換部１６１を介してデジタル信号に変換される。デジタル化されたアライメント検出信号は、記録部１６２に内蔵されたメモリに記録される。伝達特性処理部（伝達特性算出部、復元部）１６３は、記録部１６２に記録されたアライメント検出信号と、図４の制御部１７０によって算出された伝達特性ｈ（ｘ）とを利用して、アライメント検出信号の復元、つまりＴＩＳ補正を実行する。

具体的には、光学系に入力するアライメント検出信号をｆ（ｘ）、光学系の伝達特性をｈ（ｘ）、劣化したアライメント検出信号をｇ（ｘ）とすると、式４及び式５が成り立つので、式５より

を逆フーリエ変換することにより、アライメント検出信号ｆ（ｘ）を復元することができる。１／ＦＴ（ｈ）を逆フィルタと呼ぶ。

また、信号ｆ（ｘ）とノイズのパワースペクトルが既知であれば、

によって、アライメント検出信号ｆ（ｘ）を復元しても良い。但しＳｎ及びＳｆは、信号ｆ（ｘ）及びノイズのパワースペクトル密度である。

尚、式９のうち、

をウィナーフィルタと呼ぶ。

次に、マーク中心検出部１６４は、復元されたアライメント検出信号に対してデジタル信号処理を行い、アライメントマークの中心位置を検出する。ＣＰＵ１６５は、Ａ／Ｄ変換部１６１、記録部１６２、伝達特性処理部１６３、マーク中心検出部１６４に制御信号を出力して全体の動作を司る。通信部１６６は、図４に示した制御部１７０と通信を行い、必要なデータ、制御指令等のやり取りを行う。

マーク中心検出部１６４でのデジタル信号処理は、アライメント検出信号のエッジ部分を検出し、エッジの位置を計算する方法や、テンプレートによるパターンマッチング法、対称性マッチング法（特許文献２参照）等の既知の手法が適用される。

尚、信号源は、２次元信号でも１次元信号でも良い。２次元画像の水平方向の画素を垂直方向にヒストグラムを取り、画像のボーティング処理を行い主要成分で平均化することによって２次元画像を１次元画像に変換することが可能となる。本実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向の計測が独立の構成であるので、位置決めの基本となる信号処理は１次元での信号処理で決められる。例えば、撮像センサ１５６，１５７上の２次元画像を、デジタル信号で積算して平均化を行って１次元のライン信号に変換する。

［第４の実施形態］
次に、本発明に係る第４の実施形態の伝達特性算出方法について説明する。

一般に、伝達特性がｈ（ｘ）の線形システムにおいて、入力信号ｆ（ｘ）と出力信号ｇ（ｘ）との相互相関関数Ｒｘｙ（τ）は、式７に示すようにｆ（ｘ）の自己相関関数Ｒｘ（τ）と伝達特性ｈ（ｘ）とのコンボリューションで表されることが知られている。

これは、図１５において、Ｒｘ（τ）を入力信号としたときに、Ｒｘｙ（τ）が出力として得られることを意味している。ここで、自己相関関数Ｒｘ（τ）がインパルス（デルタ関数）であれば、そのシステムの伝達特性はＲｘｙ（τ）として算出することができる。

ここで、ｆ（ｘ）をＭ系列信号とすれば、Ｍ系列信号は自己相関関数がデルタ関数であるという特徴があるので、その伝達特性ｈ（ｘ）は、Ｍ系列信号ｆ（ｘ）と出力ｇ（ｘ）との相互相関関数Ｒｘｙ（τ）を計算すれば良いことになる。

以下では、第４の実施形態として、像側の伝達特性を、第１の実施形態のように像側のＭ系列信号と像側の出力信号との相互相関関数から算出する方法ついて説明する。

図１６（ａ）は像側のＭ系列信号の自己相関関数、図１６（ｂ）は像側のＭ系列信号と像側の出力信号との相互相関関数をそれぞれ例示している。

実際には、Ｍ系列信号は光強度信号であり負の値が存在せず、自己相関関数は正確にはデルタ関数になっていないため、Ｒｘｙをそのまま利用することができない。そこで、本実施形態では、式１０をフーリエ変換して、

自己相関関数のフーリエ変換ＦＴ（Ｒｘ）と相互相関関数のフーリエ変換ＦＴ（Ｒｘｙ）とから伝達特性のフーリエ変換ＦＴ（ｈ）を算出し、その逆フーリエ変換によって像側の伝達特性ｈ(ｘ)を算出する。

［第５の実施形態］
次に、本発明に係る第５の実施形態の伝達特性算出方法について説明する。

第５の実施形態では、像側の伝達特性を、第２の実施形態のように、物体側のＭ系列信号と物体側の分解能に換算した第２の出力信号との相互相関関数から物体側の伝達特性を算出してから像側の伝達特性を算出する方法について説明する。

即ち、物体側のＭ系列信号ｆ’（ｘ）と物体側の分解能に換算した第２の出力信号ｇ’（ｘ）との相互相関関数をＲｘｙ’（τ）、物体側のＭ系列信号ｆ’（ｘ）の自己相関関数をＲｘ’（τ）、物体側の伝達特性をｈ’（ｘ）とおけば、

が成り立つ。

図１７（ａ）は物体側のＭ系列信号の自己相関関数、図１７（ｂ）は物体側のＭ系列信号と第２の出力信号との相互相関関数をそれぞれ例示している。

図１７（ａ）において、Ｍ系列信号は光強度信号であり負の値が存在せず、自己相関関数は正確にはデルタ関数になっていないため、Ｒｘｙ’をそのまま利用することができない。そこで、本実施形態でも、第４の実施形態と同様に、式１２をフーリエ変換して、

自己相関関数のフーリエ変換ＦＴ（Ｒｘ’）と相互相関関数のフーリエ変換ＦＴ（Ｒｘｙ’）とから伝達特性のフーリエ変換ＦＴ（ｈ’）を算出し、その逆フーリエ変換によって伝達特性ｈ’(ｘ)を算出する。

式１３により算出した伝達特性ｈ’（ｘ）は物体側の伝達特性なので、第２の実施形態で説明したようにsinc関数のコンボリューションやスプライン補間等の各種補間方法により、像側の伝達特性ｈ（ｘ）を算出すれば良い。

尚、第１及び第２の実施形態では、図１７（ｃ）に示すように、出力信号に外来ノイズｎ（ｘ）が混入した場合にノイズの影響を大きく受けてしまう。これに対し、第４及び第５の各実施形態によれば、Ｍ系列信号と出力信号との相互相関を演算するときにＭ系列信号とは無相関なノイズの影響をキャンセルできる。

［デバイス製造方法］
次に、本実施形態の露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスについて説明する。

図２０は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップＳ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル作製）では設計した回路パターンに基づいてレチクルを作製する。一方、ステップＳ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップＳ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のマスクとウエハを用いて、上述の露光装置によりリソグラフィー技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップＳ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップＳ４によって作製された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）等の組み立て工程を含む。ステップＳ６（検査）ではステップＳ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップＳ７でこれを出荷する。

上記ステップＳ４のウエハプロセスは以下のステップを有する。すなわち、ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップを有する。また、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によってレジスト処理ステップ後のウエハに潜像パターンを形成する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップを有する。更に、現像ステップで現像した潜像パターン以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップを有する。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を形成する。

以上、本発明に係る好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

上記実施形態によれば、物体上に液晶格子より分解能が高いＭ系列のマークが形成可能であるので、高倍率の結像光学系に対応できる。

また、アライメント検出系と同一の落射照明光学系をそのまま使えるために高精度な伝達特性が算出できる。

更に、随時アライメント検出系の伝達特性の検出が可能であり、アライメント検出系の伝達特性に経時変化を生じてもＴＩＳ補正（画像復元）することにより、高精度な位置合わせが可能となる。

また、本実施形態によれば、光学系の伝達特性に基づいてアライメント検出信号を復元した信号を利用してアライメントマーク位置の検出を行う。これにより、光学系にコマ収差等の誤差が存在し、アライメントマーク近傍でのウエハプロセス誤差との相互作用によりアライメント検出信号が大きく歪み、アライメントマークの位置検出誤差が生じる場合であっても、高精度な位置決めが可能となる。

本発明に係る第１の実施形態の伝達特性算出方法を実現する位置合わせ装置の概略構成を示す図である。 本発明に係る第１の実施形態の伝達特性算出方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る第２の実施形態の伝達特性算出方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る実施形態の位置合わせ方法を適用した露光装置の概略構成を示す図である。 図４のアライメント検出系の主要な構成要素を示す光路図である。 図５のアライメントマークの概略構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 図５のアライメントマークの概略構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 図６及び図７に示すアライメントマークを光学的に検出した場合の検出結果の典型例を示す図である。 図４のアライメント信号処理部の主な機能モジュールを示すブロック図である。 ＴＩＳ−ＷＩＳ相互作用に起因するオフセット量を説明する図である。 本発明に係る第１の実施形態のＭ系列信号を例示する図である。 第１の実施形態における、像側のＭ系列信号（ａ）、像側の出力信号（ｂ）及び像側の伝達特性を例示する図である。 第２の実施形態における、物体側の出力信号（ａ）、物体側の伝達特性（ｂ）及び像側の伝達特性（ｃ）を例示する図である。 図４の露光装置に搭載される基準プレートの平面図である。 第３の実施形態における、入力信号と出力信号と伝達特性との関係を示す図である。 第４の実施形態における、像側のＭ系列信号の自己相関関数（ａ）及び、像側のＭ系列信号と出力信号との相互相関関数（ｂ）を例示する図である。 第５の実施形態における、物体側のＭ系列信号の自己相関関数（ａ）、物体側のＭ系列信号と第２の出力信号との相互相関関数（ｂ）及び、入力信号と出力信号と伝達特性と外来ノイズとの関係（ｃ）を示す図である。 従来の伝達特性算出方法を実現する装置の概略構成を示す図ある。 本実施形態によるＭ系列信号の発生原理を説明する図である。 半導体デバイスの製造フローを説明する図である。

符号の説明

１００ 露光装置
１１０ レチクル
１２０ 投影光学系
１３０ ウエハ
１４０ ウエハステージ装置
１４５ ウエハチャック
１５０ アライメント検出系
１６０ アライメント信号処理部
１７０ 制御部
１８０ アライメントマーク
３１０ アライメント照明光学系
３１５ ビームスプリッタ
３２０ ウエハステージ
３３０ 基準台
３３５ 基準プレート
３４０ Ｍ系列マーク
３５０ 結像光学系
３６０ 撮像センサ
３７０ 被撮像物
３８０ チャック

Claims (9)

1. 物体に形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記物体を保持するステージを制御して当該物体を位置合わせする装置であって、
   入力信号としてＭ系列信号を形成するように構成された前記マークから、出力信号としての前記マークの像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系を介して前記マークの像を撮像して、前記出力信号としての前記マークの像を検出するマーク検出部と、
   前記出力信号から前記結像光学系の伝達特性を算出する伝達特性算出部と、
   前記伝達特性と前記出力信号とから前記結像光学系に入力される前記入力信号を復元する復元部と、
   前記復元部で復元された入力信号に基づいて前記マークの位置を検出し、前記ステージを制御して前記物体を位置決めする制御部と、を有することを特徴とする位置合わせ装置。
2. 前記マークの最小幅をｐ、前記結像光学系の光学倍率をα、前記マーク検出部の１画素の幅をｃ、ｋを自然数とすると、ｃ×ｋ＝p×α、の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ装置。
3. 前記伝達特性算出部は、前記マークのＭ系列信号から前記マークの像側のＭ系列信号を作成し、前記出力信号と前記マークの像側のＭ系列信号とから前記結像光学系の伝達特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ装置。
4. 前記伝達特性算出部は、前記マークの出力信号の画素ごとのデータを平均して第２の出力信号を作成し、前記第２の出力信号と前記マークのＭ系列信号とから前記物体側の伝達特性を算出し、当該物体側の伝達特性から前記結像光学系の伝達特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ装置。
5. 前記伝達特性算出部は、前記マークの像側のＭ系列信号の自己相関と、前記マークの像側のＭ系列信号と前記出力信号との相互相関とのフーリエ変換に基づいて前記結像光学系の伝達特性を算出することを特徴とする請求項３に記載の位置合わせ装置。
6. 前記伝達特性算出部は、前記マークのＭ系列信号の自己相関と、前記マークのＭ系列信号と前記第２の出力信号との相互相関とのフーリエ変換に基づいて前記物体側の伝達特性を算出することを特徴とする請求項４に記載の位置合わせ装置。
7. 物体に形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記物体を保持するステージを制御して当該物体を位置合わせする方法であって、
   入力信号としてＭ系列信号を形成するように構成された前記マークから、出力信号としての前記マークの像を形成する結像光学系を介して前記マークの像を撮像して、前記出力信号としての前記マークの像情報を検出するマーク検出ステップと、
   前記出力信号から前記結像光学系の伝達特性を算出する伝達特性算出ステップと、
   前記伝達特性と前記出力信号とから前記結像光学系に入力される前記入力信号を復元する復元ステップと、
   復元された入力信号に基づいて前記マークの位置を検出し、前記ステージを制御して前記物体を位置決めする制御ステップと、を有することを特徴とする位置合わせ方法。
8. 原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置であって、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位置合わせ装置と、
   前記位置合わせ装置により制御されるステージ装置と、を有し、
   前記位置合わせ装置により前記基板及び前記原版の少なくともいずれかに形成されたマークを検出し、検出された前記マークの位置に基づいて前記ステージ装置を制御して前記基板及び前記原版を相対的に位置合わせして露光することを特徴とする露光装置。
9. 請求項８に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
   露光された前記基板を現像するステップと、を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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