(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アライメントパターンが形成された基板の表面にレジストを塗布し、該レジストを塗布した基板の前記アライメントパターンに波長幅の広い光源もしくは実効的に複数の波長を含む光源から出射して該光源の分光強度分布の影響を含めて波長に応じて所望の強度分布となるように強度を異ならしめた光を照射し、該光が照射された前記アライメントパターンを撮像して前記基板と該基板上に転写するパターンが形成されたレチクルとのアライメントを行い、該アライメントを行った基板に前記レチクルのパターンを転写して露光し、該パターンを転写して露光した前記基板を現像し、該現像したパターンと前記アライメントパターンとの相対位置を検出して前記現像したパターンとアライメントパターンとの重ね露光の精度を求め、該求めた重ね露光の精度が予め設定した基準値よりも悪い場合にはその原因を分析し、該分析した結果に基づいてレジストを塗布する装置又は前記レチクルのパターンを転写して露光する露光装置の何れかを調整することを特徴とする重ね露光方法。
【請求項２】
前記分析した結果に基づいて、前記露光装置における前記基板と前記レチクルとのアライメントのオフセット量を調整することを特徴とする請求項１記載の重ね露光方法。
【請求項３】
アライメントパターンが形成された基板の表面にレジストを塗布し、該レジストを塗布した基板の前記アライメントパターンに波長幅の広い光源もしくは実効的に複数の波長を含む光源から出射して該光源の分光強度分布の影響を含めて波長に応じて所望の強度分布となるように強度を異ならしめた光を照射し、該光が照射された前記アライメントパターンを撮像して前記基板と該基板上に転写するパターンが形成されたレチクルとのアライメントを行い、該アライメントを行った基板に前記レチクルのパターンを転写して露光し、該パターンを転写して露光した前記基板を現像し、該現像したパターンと前記アライメントパターンとの相対位置を検出して前記現像したパターンとアライメントパターンとの重ね露光の精度を求め、該求めた重ね露光の精度が予め設定した基準値よりも悪い場合にはレジストを塗布する装置又は前記レチクルのパターンを転写して露光する露光装置の何れかを調整することを特徴とする重ね露光方法。
【請求項４】
前記分析した結果に基づいて、前記露光装置における前記基板と前記レチクルとのアライメントのオフセット量を調整することを特徴とする請求項３記載の重ね露光方法。
【請求項５】
アライメントパターンが形成された基板の表面にレジストを塗布し、該レジストを塗布した基板に光を照射し、該光が照射された基板からの反射光を該反射光の波長に応じて所望の強度分布となるように強度を異ならしめた状態で前記アライメントパターンを撮像し、該撮像して得た画像を処理して前記基板と該基板上に転写するパターンが形成されたレチクルとのアライメントを行い、該アライメントを行った基板に前記レチクルのパターンを転写して露光し、該パターンを転写して露光した前記基板を現像し、該現像したパターンと前記アライメントパターンとの相対位置を検出して前記現像したパターンとアライメントパターンとの重ね露光の精度を求め、該求めた重ね露光の精度が予め設定した基準値よりも悪い場合にはレジストを塗布する装置又は前記レチクルのパターンを転写して露光する露光装置の何れかを調整することを特徴とする重ね露光方法。
【請求項６】
前記分析した結果に基づいて、前記露光装置における前記基板と前記レチクルとのアライメントのオフセット量を調整することを特徴とする請求項５記載の重ね露光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体集積回路等層構造からなる被検出物体に形成されたパタ−ンを検出する方法に関する。特にフォトレジスト等光学的に透明な層で覆われたパタ−ンの位置等の情報を正確に検出して重ね露光する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化、微細化に伴い、回路パタ−ン線幅は０．５μｍ以下に成り、回路パタ−ンの露光工程におけるアライメント精度は０．１μｍ以下が要求されており、今後益々高精度化が必要になる。またアライメントを行い重ね露光を行った結果を評価する場合にも上記の精度あるいは更に精度の高い検出性能が要求されている。
【０００３】
高精度の検出を実現する上で最大の障害は露光や検出に用いる検出パタ−ンそのもの、あるいはこのパタ−ンに薄く（１〜２μｍ厚）塗布されたフォトレジストが対称な形状をしていないことである。パタ−ンの最上層に形成されている光学的に透明な薄膜の厚さがこのように場所により非対称になると、単波長の光で検出した場合、図１３に示すように検出波形が非対称に成り、例えばパタ−ンの中心位置を検出しようとすると、検出中心が真の中心から大きくずれてしまう。
【０００４】
このような課題に対し、従来、特開昭６１−２０３６４０、特開平１−２２７４３１に示されているように検出波長を多波長にしたり、波長バンド幅を広くして検出する方法が提案されている。このような方法を採用することにより、単波長で検出した場合に比べかなり高い検出精度が得られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに上記の従来法では今後のパタ−ンの微細化に対応できる程度の精度を確保することが困難である。これは上記の多波長あるいは波長バンド幅を広くした検出法では検出波長は固定であるため、どのような検出対象に対しても高い精度で検出できる分けではないことによる。即ち検出しようとする対象の層構造によって、最も検出精度が高くなる検出波長の強度分布（光の分光照明強度特性）は異なってくる。従来の技術はこの検出波長の強度分布はあくまでも固定であるか、せいぜいあらかじめ用意された複数の検出光の何れかを用いる、またはすべてを用いることに留まっていた。またこの選択は各光での検出結果、または露光した後にアライメント精度を評価することにより行っていた。このため０．５μｍ以下のパタ−ン線幅の集積回路では充分な精度が得られないばかりでなく、波長の選択に多大の時間を要していた。
【０００６】
このことを更に詳しく説明する。話を分かり易くするため図１３に示した単純な構造を考える。ただし下地は波長により反射率が図１４（Ａ）に示すように異なるとする。このような例は多層構造からなる被検物体の場合一般に生じている。また下地が層構造でなくても、下地の材質の分光反射率特性に波長依存性が強い被検物体もこのような例に該当する。層構造物体を検出するには図１４（Ｂ）に示すような分光照度分布を有する白色光を用いると、膜厚の影響を受けにくいことは良く知られているが、ここで示した様に下地の反射率が図１４（Ａ）に示すように波長により異なると反射率の低い波長の検出波形に及ぼす寄与が小さくなり、実効的に図１４（Ｃ）に示すように狭い波長で検出したのと変わらなくなる。この結果膜厚の影響をより多く受け、検出波形が図１４（Ｄ）に示すように非対称性の強い歪の大きな波形となる。
【０００７】
さらに従来の多波長あるいは波長バンド幅を広くした検出法では検出に用いる各波長には関係無く一定の検出光学系の開口数を用いていた。しかし各波長で得られる検出波形の合成が最終的に得られる波形であることに着目すれば、検出像の解像度Ｌが次式で与えられることから、
【０００８】
【数１】
0003603880.tif 000002
【０００９】
波長により解像度が異なってしまうことになる。この結果波長に比例して解像度が変わり、解像度の異なる各波長での波形の合成が検出されることになり、波長合成の効果が低減されることになる。
【００１０】
さらに従来波長バンド幅の広い波長で検出しようとすると、検出光学系に含まれる色収差、特に横色収差の影響を受けて例えばパタ−ンのエッジを検出しようとすると波長ごとにエッジ位置が変わり、アライメント検出や寸法検出、位置検出の誤差となってしまう。このような誤差は検出制度が０．１μｍ程度ではあまり問題にならなかったが、０．０５μｍ以下の精度が要求される今後の計測技術では大いに問題となるところである。しかしながらこのような精度を満足する検出光学系、即ち顕微鏡対物レンズや、縮小レンズの製作は困難を極めている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は以下に示す手段を用いる。光源として波長幅の広い光源もしくは実効的に複数の単波長を含む光源を用い、この光源から出射した光を、層構造から成りその表面の最上層の少なくとも一部が光学的に透明な被検物体に照明する。そしてこの被検物体で反射した光を用いてこの被検物体表面のパタ−ンを検出する分けであるが、この際この被検物体の層構造および材質の情報に応じて上記の光源から出射する光の分光照明強度特性（波長強度分布特性）を実効的に変化させ、この変化により得られた所望の分光照明強度で照射された被検物体のパタ−ン像を一次元もしくは二次元の像として検出する。
【００１２】
上に述べた検出法の更に具体的な手段としては、例えば、上記の光源から出射する光を分光手段により波長ごとに光の進行方向が変化するようにした後、分光された光路中に各波長の光の通過する場所ごとに光の透過率を異ならしめる空間光透過率変調器を配置して、上記分光照明強度特性（波長強度分布特性）を実効的に変化させればよい。
【００１３】
また別の具体例として、照射された被検物体のパタ−ン像を一次元もしくは二次元の像として検出する際に、被検物体で反射した光の光路中にその反射光の波長ごとに透過率を変化せしめる分光透過率可変フィルタを挿入し、検出光の分光透過率を変えることにより、最適な分光強度の照明をしていることに成り、上記光源から出射する光の分光照明強度特性（波長強度分布特性）を実効的に変化させていることになる。
【００１４】
本発明は更に前述の波長ごとに解像度が異なる従来技術の課題を解決するために、上記所望の分光照明強度で照射された被検物体のパタ−ン像を一次元もしくは二次元の像として検出する際に、被検物体で反射した反射光の各波長ごとに上記パタ−ン検出の開口数（ＮＡ）を異ならしめる。
【００１５】
更にこの際、上記各波長ごとのパタ−ン検出の開口数に対し一定の比率を持つ照明のパ−シャルコヒ−レンスになるように照明光の各波長ごとに指向性を持たせている。
【００１６】
上記の色収差に対する課題を解決するため、本発明では波長幅の広い光源もしくは実効的に複数の単波長を含む光源から出射した光を、被検物体に照明し、被検物体で反射した光を用いて該被検物体表面のパタ−ン検出する。この際、光源から出射し、被検物体で反射した光を格子等の分光手段上にほぼ結像させ、この分光手段により分光されたパタ−ンの分光方向と直交するパタ−ン検出方向については分光手段上のパタ−ンを結像し、分光方向については分光した非結像の状態で分光一次元像として二次元撮像手段により検出する。しかも分光一次元像の各分光波長に対応するパタ−ン検出方向の各信号に対し、検出光学系による色収差を信号処理により補正した後、色収差補正されたこれら各信号を合成し、この合成信号によりパタ−ン検出する。
【００１７】
上記の分光一次元像を検出する方法を用いれば、各分光波長に対応するパタ−ン検出方向の各信号に対し、各波長の信号全体に各波長ごとに異なる定数を掛けた後、各波長の信号を合成し、当該合成波長によりパタ−ン検出すれば上記の照明光の分光特性を変化させ所望の分光照明強度で照射された被検物体のパタ−ン像を検出した場合と同一の効果がある。
【００１８】
また上記分光一次元像を用いる方法を用いれば、各分光波長に対応するパタ−ン検出方向の各信号に対し、各波長の信号の場所により異なる定数を各波長ごとに掛けた後、各波長の信号を合成し、当該合成波長によりパタ−ン検出れば、各場所ごとに異なる層構造および材質に応じて、各場所ごとに最適な分光照明強度を与えて検出したことになる。
【００１９】
上記分光照明強度を所望なもの、すなわち最適なものにするため、本発明は、上記被検物体の層構造および材質の情報を用いて検出光の各波長における層構造に起因する多重干渉強度を計算し、パタ−ンの構造を忠実に反映する検出信号波形が得られる様に上記光源から出射する光の分光照明強度特性（波長強度分布特性）を被検物体の層構造および材質の情報に応じて実効的に変化させる。
【００２０】
以上に説明したパタ−ン検出手段は単なるパタ−ン検出或いはパタ−ン位置検出装置にのみ有効な手段ではなく、投影露光装置のアライメントに必要なアライメントパタ−ン検出系の手段ともなる。
【００２１】
ウエハに塗布されたレジストの下に形成されているアライメントパタ−ン、或いはこのウエハを露光後のアライメントパタ−ン、或いは現像後さらにはエッチング後のアライメントパタ−ンを上記のパタ−ン検出手段を用いてそのパタ−ン位置を正確に計測し、この結果をレジスト塗布機、露光装置、現像装置、或いはエッチング装置にフィ−ドバック、或いはフィ−ドフォワ−ドする様に露光システムを構成することにより、より高い精度で重ね露光が実現する。
【００２２】
とりわけこの露光システムでは露光装置内のパタ−ン検出系、即ちアライメントパタ−ン検出系の分光照度（水銀ランプの輝線スペクトル、或いはレ−ザ光等の単色光でも、多色光でも良い）や照明の指向性或いは検出光学系の開口数等の光学条件と同一の条件にパタ−ン位置検出系を設定し、露光装置で露光する前のアライメントパタ−ンの位置を検出し、得られたこの第一のパタ−ン位置情報と、検出しているアライメントパタ−ンに対する最適な検出光学系条件で、かつ第一のパタ−ン位置情報を得たときと同一のウエハ位置で検出し、得られた第二のパタ−ン位置情報との差を求め、この差を露光装置のアライメントオフセットとして、露光装置にフィ−ドフォワ−ドすれば、露光装置のアライメント検出系が例えウエハのアライメントパタ−ンに対し最適な条件に成っていなくとも、正しいオフセット補正が成され、精度の高い重ね露光を実現することができる。
【００２３】
【作用】
前に示した図１４を例にとって本発明の作用を説明する。下地が図１４（Ａ）のように波長により反射率が異なっていれば図１５（Ａ）に示すような分光透過率を有するフィルタ−を通して照明すれば、図１５（Ｂ）のように下地の反射率が一定で完全な白色照明をしたのと同等になり、即ち、多重干渉の条件が波長依存性がなくなり、図１５（Ｃ）に示すように検出波形は対称になり、多重干渉による検出誤差が小さくなる。
【００２４】
一般には下地の反射率は上記のような単純な反射率ではなく、特に下地が多層構造の場合複素反射率となる。このような場合でも複素反射率を下地の層構造および材質の特性（分光複素屈折率）から計算によりもとめることができるし、光学的に計測することも可能であるので、このようにして得られた複素反射率と下地の上に乗る薄膜の膜厚と屈折率から照明光の最適分光強度を求め、このような分光特性の照明を上記の手段で実現して検出すれば、精度の高い検出を行うことができる。
【００２５】
また本発明では検出波長により異なる検出光学系の開口数を各波長にたいし同一になるようにすることにより、理想光学系においても発生するパタ−ンエッジ部での色ずれ（色にじみ）がまったくなくなり、完璧な検出が可能となる。
【００２６】
また理想的でない色収差のある光学系に対しても、被検出物で反射した光を一旦格子等の分光手段上に結像後に分光した光をパタ−ンの検出方向には結像し、これと直交する方向には分光した状態で二次元撮像装置に結像することにより、各波長での像を別々に検出することが可能となる。この結果、色収差のある光学系で検出され、色ずれを持ったまま結像している像を各波長ごとに色ずれを画像処理により補正してやることが可能となる。
【００２７】
さらに各波長での像が別々に検出されているため、上記の例のように照明光の分光照度特性が所望のものになるようにハ−ド的に補正する必要がなくなる。即ち、検出された各波長の画像に上記の所望の分光特性で照明したのと同等の結果が得られるように各波長の信号にそれぞれ異なる定数を掛けあわせて得られた信号を合成すれば良い。
【００２８】
各波長での像が別々に検出できる方式を用いれば、パタ−ンの部分ごとに異なる薄膜の厚さに応じて、その部分ごとに検出光に用いる波長を選ぶことが可能になるため、最も検出誤差の小さくなる検出が実現できる。
【００２９】
【実施例】
以下本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明のパタ−ン検出方法をステッパ（投影露光装置）に適用した実施例である。レチクル３に露光照明系６からｉ線、あるいはエキシマレ−ザ光を照射し、レチクルを透過した光を縮小レンズ５によりレチクル描画パタ−ンをｘｙｚ方向に移動可能なウエハステ−ジ７上のウエハ４の露光領域４０に投影露光する。ウエハステ−ジをｘｙ方向にステップ移動することにより、図２に示すようにウエハ２上には露光された回路パタ−ンの領域が配列される。隣合う各露光回路パタ−ンの領域の間には次の露光プロセスの際に既に露光形成されている回路パタ−ンとの重ね合わせを高精度に実現するためにアライメントパタ−ン４１が形成されている。このアライメントパタ−ン４１は図３に示すように凹部４１１のある下地パタ−ンの上にフォトレジスト４１２が塗布されている。このパタ−ンを縮小レンズ５を通して精度良く、位置検出する必要がある。
【００３１】
アライメントパタ−ン４１のｘ方向の位置を検出する検出系は点線１０ｘである。図には示されていないが、ｙ方向の位置用のアライメントパタ−ンを検出する検出系１０ｙは紙面と垂直な方向にある。検出系１０ｘにはパタ−ン検出用の例えばハロゲンランプやキセノンランプ等からなる照明光源１１がある。照明光源１１を出射した光は所望のビ−ム径と指向性にするレンズ１０１を透過し、ミラ−１０２で反射後、分光強度および指向性調整照明手段１２を透過する。この分光強度および指向性調整照明手段１２は照明光を最適な分光照度分布にすると共に、それぞれの波長の光を所望の指向性となるようにする。ここを透過した光は、ビ−ムスプリッタ１０３で反射し、レンズ１０４、ミラ−１０５を通過し、縮小レンズ５を透過した後、ウエハ４上のアライメントパタ−ン４１を照明する。アライメントパタ−ン４１で反射した光は再び縮小レンズ５を通過した後、ミラ−１０５で反射し、検出系１０ｘに入る。入ってきた検出光はレンズ１０４、ビ−ムスプリッタ１０３を通過後波長選択ビ−ムスプリッタ１０６で２分される。
【００３２】
このビ−ムスプリッタは波長がλ１からλ２までの光を反射し、λ２からλ３までの光を透過する。このように検出光を２つの波長帯域に分離し、検出するのは縮小レンズ５が露光光で最高の解像度が得られるように設計、製作されているため、λ１からλ３までの広い波長幅の光に対し、大きな色収差を持ってしまい、これを補正する色補正レンズの製作が困難となるためである。即ち図１に示すように２つの波長帯域に分離しておけばλ１からλ２までの光はレンズ１０４と１０８により色補正でき、λ２からλ３までの光は１０４と１０８’により色補正できる。波長選択ビ−ムスプリッタ１０６で分離されたλ１からλ２までの光は分光透過率および開口数調整検出手段１３を透過する。この分光透過率および開口数調整検出手段１３は各検出波長に対し、最適な検出開口数で検出することを可能とする。波長選択ビ−ムスプリッタ１０６で分離さえた他方の波長がλ２からλ３までの光はミラ−１０７で反射され分光透過率および開口数調整検出手段１３’により同様に各波長で最適な検出開口数で検出される。このようにして各検出波長帯の検出光は色補正レンズ１０８および１０８’により色ずれのない像を一次元又は二次元撮像装置１４および１４’の撮像面に結ぶ。
【００３３】
撮像装置１４、１４’で検出されたアライメントパタ−ンは信号処理回路２に送られ、パタ−ンの位置が検出される。このようにしてウエハ上のアライメントパタ−ンの位置が検出されれば、この情報と各パタ−ンを検出したときのウエハテ−ブルの位置（図示されていないが通常レ−ザ測長器により計測される）の情報から正しく重ね露光されるようにウエハステ−ジを微動調整し、重ね露光が実行される。上記の分光強度および指向性調整照明手段１２および分光透過率および開口数調整検出手段１３は後に実施例を用いて詳細を説明するが、これら手段により調整される照明光の分光強度および指向性、並びに検出の分光透過率及び開口数は検出する対象のウエハパタ−ンの構造や材質特性により一般に最適値が異なる。これら最適値は予めオフラインで計算し、その値を入力端末２２から入力しても良いし、図１に示すように構造や材質の特性値を端末２２から入力して最適値演算回路２１で最適値を演算しても良い。
【００３４】
なお、図１の実施例では分光強度および指向性調整照明手段１２と分光透過率および開口数調整検出手段１３とを同時に使用しているが、１２における分光強度の調整と１３における分光透過率の調整はいずれか一方を行えば十分である。
【００３５】
図４は本発明のパタ−ン検出方法をアライメント評価装置に適用したものである。図１と同一部品番号は同一物を表わす。ウエハテ−ブル７の上のウエハには既に重ね露光、現像された例えばレジストパタ−ン４１２が図５のように形成されている。即ち、４１２は重ね露光することにより形成されたパタ−ンである。他方パタ−ン４１１は重ね露光される前に形成されていたパタ−ンである。ｘ方向の重ね合わせ精度を評価するには、図５のＸＸ’断面を示した図６の左右のパタ−ン４１１の検出中心Ｃｐと左右のパタ−ン４１２の検出中心Ｃｒのずれを求めれば良い。しかしながら図６に示したように通常のパタ−ンは多層構造になっており特に最上層が光学的に透明な層であると、多重干渉の影響を受け最適な波長分光特性を持った光で照明しないと、検出波形が歪み誤検出する。この実施例ではパタ−ン４１１とパタ−ン４１２は異なる層構造であるから、両者に対し総合的に最適となる波長を選ぶ。
【００３６】
図４で１１’は照明系であり、ここを出射した光は分光強度および指向性調整照明手段１２で所望の分光強度と、各波長に応じた指向性を持っている。即ち後に説明するように、波長ごとに大きさと強度が異なる２次光源を分光強度および指向性調整照明手段１２で作る。このような光がレンズ１０１’を通り、ビ−ムスプリッタで反射後、対物レンズの瞳にこの２次光源の像を結ぶ。対物レンズの瞳を通過した光はウエハ上のパタ−ンをテレセントリックに照明する。ウエハから反射した光は対物レンズ５’ビ−ムスプリッタ１０５’結像レンズ１０９を通り、２次元撮像装置１４’に結像される。結像レンズ１０９と２次元撮像装置１４’の間には分光透過率および開口数調整検出手段１３が配置されており、検出光の波長に応じた開口数で検出するようになっている。
【００３７】
上記実施例では分光強度および指向性調整照明手段１２および分光透過率および開口数調整検出手段１３でともに分光強度を変化させているが、一方のみで十分である。即ち例えば分光強度および指向性調整照明手段１２で照明光の分光強度を最適に調整すれば、分光透過率および開口数調整検出手段１３は各波長にたいし同一の透過率で良い。
【００３８】
本実施例で示す方法により検出された２次元パタ−ンを２次元撮像装置で検出し、ｘ方向とｙ方向のパタ−ン４１１とパタ−ン４１２のそれぞれの中心のずれを求めれば、アライメント精度が求まる。ウエハの層構造や材質に依存して最適な照明光分光強度及び検出時の光学系の開口数、或いは照明光の指向性は異なるため、入力端末２２からこれら条件を入力すると、処理回路２’で最適な照明光分光強度及び検出時の光学系の開口数、或いは照明光の指向性が計算され分光強度および指向性調整照明手段１２、および分光透過率および開口数調整検出手段１３を駆動し、そのような照明光分光強度及び検出時の光学系の開口数、或いは照明光の指向性が実現する。
【００３９】
図７は本発明のパタ−ン検出装置の分光強度および指向性調整照明手段１２の具体的実施例を示したものである。また、図７は後述するように一部の構成を変えることにより、本発明の分光透過率および開口数調整検出手段１３の一実施例にもなりえる。１２１は回折格子或いはプリズム（図示せず）等の分光手段である。検出用照明光源１１（１１’）からの出射光は図のｙ方向には指向性をある程度高めた状態の光１０１０となり、分光手段１２１に入射する。検出用照明光源は検出波長域を総て含む分光強度を持っているが、検出に最適な分光強度特性を持っていない。そこで分光手段１２１で分光されたビ−ム１０１１Ａから１０１１Ｎを集光レンズ１２３により空間光透過率変調器１２５上に各分光光を集光するように分離する。回折格子を用いた場合、１０１２Ａには最も波長の短い光が、１０１２Ｎには最も波長の長い光が集光する。なお分光手段１２１に照射された光の０次透過光は用いないので遮光板１２６により遮光する。この遮光板は図７に示すようにレンズ１２３の前に配置しても良いし、空間光透過率変調器１２５上に配置しても良い。
【００４０】
そこで空間光透過率変調器１２５を図８（Ａ）に示すように遮光部１２５２に透過部１２５１を設けた構造で、透過部１２５２は各波長の光の強度がここを通過後最適な強度になるよう、図８（Ｂ）に示すように透過率Ｔ（λ）を変化させる。このように部分的に光の強度を変化させる方法としては、例えば液晶シャッタマトリックスや、ＰＺＴ、フォトクトミック材料等がある。またもっと簡単な物として、ｙ方向の変化をステップ的に変えても本発明の目的が達成できるため、図１９（Ｂ）に示すようにｘ方向に透過率が少しずつ変化するｘ方向に長い短冊状のＮＤフィルタ−をＸ方向に移動可能な構造にし、図１９（Ａ）に示すようにｙ方向に並んだ沢山の短冊をそれぞれｘ方向に制御し、図８（Ｂ）に示すような所望の透過率になるようにしても良い。
【００４１】
次に式（１）を用いて前述したように各検出光に対し同一の解像度で検出させるための照明光の指向性を最適化する実施例について図９を用いて説明する。即ち各検出光に対し同一の解像度で検出させるには、各検出波長λに比例した検出光学系の開口数ＮＡにし、さらにこのＮＡに対し各波長での照明光のパ−シャルコヒ−レンシ−が一致するようする。図９（Ａ）に示す空間光透過率変調器１２５’の空間光透過率変調領域１２５３の内１２５２を光遮光領域１２５１を光透過領域にし、波長の長いλＢでは波長の短いλＡに比べ像検出のＮＡが大きく、またこのＮＡに比例し照明のパ−シャルコヒ−レンスが大きくなるように、図９（Ａ）に示す照明用の空間光透過率変調器１２５’透過領域の幅を広くしている。この幅の比はほぼ波長の比に等しくしている。液晶シャッタマトリックスや、ＰＺＴ等を用いることにより空間光透過率変調領域１２５３の領域内を電気信号で駆動することにより各波長ごとに所望のＮＡ（後述）とこれに比例した照明のパ−シャルコヒ−レンスで検出することを可能にする。
【００４２】
空間光透過率変調器１２５、或いは１２５’を透過した光は図７の集光レンズ１２４により回折格子或いはプリズム（図示せず）等の分光手段１２２に入射する。分光手段１２２の面はレンズ１２３と１２４により分光手段１２１の面と共役な関係にあるので、分光手段１２１に入射する光、即ち上記図のｙ方向には指向性をある程度高めた状態の光１０１０の強度分布が分光手段１２２上に再現される。但し、空間光透過率変調器１２５で変調されたことによる各波長ごとに強度のの変化を受けている。その結果分光手段１２２を透過し、回折する光は所望の照明のパ−シャルコヒ−レンスと分光照度分布を持ってウエハ４を照明することになる。
【００４３】
図７では１２を照明系に用いる場合について説明したが、図７の１２と同じ構成で１３を検出系に用いることにより、上記の各波長に対し所望の検出ＮＡを与え、各波長での検出像の解像度を同一にすることを可能にする。即ちこの場合には図７の１３は例えば図１の実施例の１３及び１３’の位置に配置され、ウエハ上のパタ−ン４１で反射した光が縮小レンズ５、ミラ−１０５、ビ−ムスプリッタ１０３を通り、ビ−ムスプリッタ１０６またはミラ−１０７で反射し、図７の分光手段１２１上に結像し、各波長ごとに異なる回折角で回折した後、レンズ１２３、空間光透過率変調器１２５を通り、レンズ１２４で分光手段１２２上にパタ−ン４１の像を再び結像する。
【００４４】
空間光透過率変調器１２５は図９（Ａ）に示すように光透過領域１２５１の幅が各波長ごとに、即ち高さ方向ｙに沿って式（１）を満たすように変化している。但し照明系内で図８（Ｂ）や図９（Ｂ）に示すように各波長ごとに透過率を変化させている場合には、検出系内の空間光透過率変調器１２５’は波長ごとの透過率変化は必ずしも必要でない。上記レンズ１２４で分光手段１２２上に再結像されたパタ−ンは各波長で異なる入射角で分光手段１２２に入射、結像するがここを透過する回折光１０２０は各波長の光が同一の光路を進む。この回折透過光は図１の色補正レンズ１０８または１０８’により一次元又は二次元撮像装置１４及び１４’の撮像面に分光手段１２２上の像を再結像する。
【００４５】
色補正レンズ１０８または１０８’はそれぞれの波長バンド幅内の光にたいし色収差を含む各種収差が補正されており、それぞれのバンド幅の光の像が一次元又は二次元撮像装置１４及び１４’の撮像面に歪及び色ずれなく結像する。
【００４６】
次に、上記に説明したパタ−ン検出装置の実施例の構成を用いて、具体的にパタ−ン検出する方法を示す。パタ−ン検出する対象は図３に示すような層構造を持っているため、このパタ−ンの最上層がフォトレジストの場合、フォトレジストの厚さは図１０に示すようになっている。
【００４７】
フォトレジストは通常スピンコ−タ−で塗布されるため、図３の左上にウエ−ハの中心があればフォトレジストの流れは左から右に向かう。その結果フォトレジストの厚さは図１０（Ａ）に示すように、パタ−ンエッジの左端に比べ右端の方が厚くなる。この結果フォトレジストの厚さの範囲は図１０（Ａ）に示すようにｔＢ１からｔＢ２までの厚さと、ｔＴ１からｔＴ２までの厚さの範囲が存在することになる。
【００４８】
このようなレジスト構造、層構造、およびレジストや下地のパタ−ンの材質の光学的定数（複素屈折率等）が分かれば、図１２に示すようにこれら条件をパラメ−タにして干渉計算を行う。即ち上記のパラメ−タに対して波長を変えたときに、干渉強度がどのようになるか計算する。得られた結果から、如何なる分光照明強度分布で照明すればず１０（Ａ）のレジスト厚の範囲、即ちｔＢ１からｔＢ２までと、ｔＴ１からｔＴ２までで干渉強度の変化が小さく、一定値に近づくかを計算により求めることにより、分光照明強度を決定する。このように決定された分光照明強度の分布Ｉｉ（λ）は例えば図１１の（Ａ）に示すようになっている。この分布はあくまでもウエハを照明する光の分光照度分布であり、実際には光源の分光強度分布や、光学系の分光透過率分布は一定でないため、その補正をする必要がある。
【００４９】
即ち例えば光源の分光強度分布Ｉｉｉｌ（λ）が図１１（Ｂ）のようになっており、光学系の分光透過率分布ＩＯＳ（λ）が図１１（Ｃ）のようになっていれば、空間光透過率変調器１２５の各波長ごとの透過率Ｉ（λ）は図１１（Ｄ）に示すように次式で求まる値にする必要がある。
【００５０】
【数２】
0003603880.tif 000003
【００５１】
このようにして決定されたＩ（λ）になるように空間光透過率変調器１２５を駆動すれば図１０（Ｂ）に示すようにレジスト厚の範囲、即ちｔＢ１からｔＢ２までと、ｔＴ１からｔＴ２までで干渉強度の変化が小さくなり、検出パタ−ンの波形はレジストの塗布むらの影響を受けず、対称になり、精度の高いパタ−ン位置検出が実現する。
【００５２】
本発明のパタ−ン検出法をパタ−ン位置検出装置に実施した例を図１６を用いて説明する。本実施例のパタ−ン位置検出装置はステッパのオフアクシスアライメント検出系、あるいはアライメント評価用の検出系に適用される。ウエハ４の上にある検出マ−ク４１は図１６（Ｂ）に示すような構造になっている。検出用の対物レンズ５’には照明光１１００がビ−ムスプリッタ５１、結像レンズ５１および対物レンズ５’を通して照明される。反射光は照明の光路を逆に戻りビ−ムスプリッタで反射されて検出光１２００となる。検出光は分光手段１２１の上に検出パタ−ンの像を結ぶ。分光手段をまっすぐ通過する光は遮光版１２６で遮光される。
【００５３】
一方分光手段で回折された光は波長ごとに回折角度が変わり集光レンズ１２３上では短い波長の光はＤλ１に、長い波長の光はＤλｎに集光する。集光レンズ１２３を透過した各波長の光は互いに平行になり、開口数決定開口１１５１を通過する。これにより前述のとおり波長に応じてＮＡが変わるようになる。開口数決定開口１１５１通過した光はシリンドリカルレンズ１２４’に入射する。この非回転対称結像系であるシリンドリカルレンズ１２４’はパタ−ン位置検出方向ｘに対しては結像作用を持ち、それと直角の方向は結像作用を持たない。従って、撮像装置１４”の撮像面１４０上にはｙ方向は分光されたままの状態の分光一次元像、即ち、ｘ方向はウエハ上のパタ−ンが拡大された結像状態で像が形成され、この像が各色ごとに縦方向ｙに並んで結像されている。
【００５４】
即ち波長λ１からλｎまでの各波長の光による像が撮像面上に１４０上Ｐλ１からＰλｎの位置に形成されている。従って、信号処理装置２１のテレビモニタ−２１０上には各波長に応じてＰλ１’……、Ｐλｉ’……、Ｐλｎ’の位置に各波長の像が形成され、各波長での検出信号が得られている。
【００５５】
このように各波長ごとに分離検出された信号を用いて信号処理回路２１でパタ−ン検出する方法を以下に示す。撮像装置１４”で検出された各波長の検出波形のうちλ１、λｉ、およびλｎの各波長での検出波形は例えば図１７（Ａ）に示すＩλ１（ｘ）、Ｉλｉ（ｘ）、Ｉλｎ（ｘ）のようになっている。これらの検出波形のレベルは光源の分光強度分布Ｉｉｌｌ（λｉ）や、光学系の分光透過率分布ＩＯＳ（λｉ）の影響を受けている。更にパタ−ン各部のレジスト膜厚や下地の構造、材質から前述したように最適な分光照明強度Ｉｉ（λｉ）になるようにするには上記の各波長の検出波形Ｉλ１（ｘ）、Ｉλｉ（ｘ）、Ｉλｎ（ｘ）に次に示す補正値α（λｉ）を掛けたものを最適な検出波形とすればよい。
【００５６】
【数３】
0003603880.tif 000004
【００５７】
従って、最終的に得られる最適な検出波形Ｉ（ｘ）は次式で求まる。
【００５８】
【数４】
0003603880.tif 000005
【００５９】
このようにして求まった検出波形は図１７（Ｃ）に示すようになる。
【００６０】
次に本発明の信号処理に関する他の実施例を説明する。図１６の検出光学系は検出光に対し、色収差補正された光学系を用いているが、通常の顕微鏡対物レンズでは目視観察用に用いるため、対象物を目視観察したときに色のにじみが出なければ十分仕様に耐える。しかしアライメントの評価ではアライメントの精度を１０ｎｍ程度の精度で評価する必要がある。そのため目視では分からない程度の色収差でも評価精度に影響を与える。そこで図１６の光学系が組立られた状態で色収差がどの程度残っているかを評価し、アライメントの精度評価のときに、この残存色収差を補正し、色収差が０の状態で検出評価することが重要になる。
【００６１】
本実施例ではこれを実現している。即ち図１６の光学系が組立られた状態で、照明光源、又は撮像装置の撮像面の前に干渉フィルタ−等を入れ単波長で検出したときの色収差をを評価しておく。例えば、Ｓｉウエハに決まった寸法の凹パタ−ンを形成しておき、これをいろいろな単波長、またはバンド幅の狭い光で検出し、検出位置とパタ−ン幅或いはパタ−ン間隔を計測しておく。図１８（Ａ）はこのようにして色収差を評価した結果の例である。即ち横軸は波長、縦軸は横倍率を表わしている。このように波長λ１、λｉ、およびλｎ等の波長で横倍率が異なっていると、図１６の実施例で検出される各波長での検出信号は，図１８（Ｂ）に示すようにパタ−ン幅がＷλ１、Ｗλｉ、およびＷλｎのように異なってくる。
【００６２】
しかしこれら各波長での波形は独立に得られているから、上記方法で求められている横色倍率Ｍ（λ１）、Ｍ（λｉ）、Ｍ（λｎ）等を用いて倍率の補正を行うことができる。図１８（Ｃ）はこの補正の結果を表わしている。即ち補正された結果はどの波長においてもパタ−ンの幅もしくは間隔は等しく、検出位置も一致させるようにすることが可能になる。
【００６３】
このように倍率の補正を行った後、図１７で説明した分光照明強度等の補正を行えば、図１８（Ｄ）に示すように理想的なパタ−ン検出が実現する。即ち本実施例では光学系では完全に取り除くことが不可能な色収差を、分光検出することにより各波長での波形を分離検出し、各波長の波形に対し、検出位置座標対応の補正（色倍率補正、検出中心の色ごとのオフセット（位置ずれ）、色ごとの像歪等に起因する色ごとの位置ずれの補正）を行い、更に各検出信号毎にレベル補正を行うことが可能になった。
【００６４】
また図１６のパタ−ン検出装置は上記の補正のほかに、例えば照明光の波長ごとに照明むらが発生しているような場合でも、各波長ごとに検出波形が得られるため、各波長ごとにこの照明むらを補正することが容易にできる。
【００６５】
更に図１６のパタ−ン検出装置の優れている点を説明する。図１６（Ｂ）や図１０に示すように凹パタ−ンの周辺とパタ−ン部（凹んだ部分）では図１０（Ａ）に示すようにレジストの厚さが異なっている。周辺部のレジスト厚に対し最適な照明の分光強度があり、これはパタ−ン部のそれとは必ずしも一致しない。このような場合、本実施例では各波長ごとに検出波形が得られているため、各波長のそれぞれの部分で異なる上記（３）式のα（λｉ）を用いる。即ちα（λｉ）を座標ｘの関数として扱えば、レジストの場所による厚さの違いに応じてα（λｉ）を最適な値にでき、歪みのない検出波形を得ることができるようになり、最も高い精度で検出することが可能となる。なおこのようにα（λｉ）を座標ｘの関数α（λｉ，ｘ）にする場合、例えば図１０（Ａ）に示すようにパタ−ンエッジ部ｘＬ、ｘＲにおいて不連続になる。このような不連続部が生じると検出波形に不連続部や歪みが発生するため、不連続部でスム−ズに連続化する処理を行う。
【００６６】
図１６の実施例ではｘ方向のパタ−ンを検出する光学系しか表示されていないが、ｘｙ２軸を検出する場合には分光手段１２１と結像レンズ５１の間にビ−ムスプリッタを挿入し、ｘ方向と同様の（ただしｙ方向を検出する構成である）検出系を設ければよい。
【００６７】
上記の図７で本発明のパタ−ン検出装置の分光強度および指向性調整照明手段１２と分光透過率および開口数調整検出手段１３を説明し、また図１６では分光透過率および開口数調整検出手段１３を説明したが、分光透過率および開口数調整検出手段で設定された各波長に対する最適な分光指向性が存在する。即ち、上記したようにどの検出波長に対しても同一の解像度を持たせるため（１）式に示した解像度Ｌが検出する総ての波長にたいしほぼ同一の値になるように、ＮＡを波長ごとに変え、このＮＡ（λ）に対して決まる照明のパ−シャルコヒ−レンスσ（被検物体が平坦な時に、検出の開口数を決定する開口、即ち、１２５１の上での被検物体の反射光の広がりとこの開口の幅の比）が波長によらずほぼ一定にする。このようにすれば、どの波長に対しても、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が同じになり、歪みの少ない波長合成波形が得られることになる。
【００６８】
次に本発明で２次元的なパタ−ンをｘｙ分離してそれぞれの方向を独立に検出するのではなく、２次元的にｘｙ同時に検出する実施例を図２０を用いて示す。
【００６９】
図２０は２次元同時検出に用いる照明系の実施例である。検出用光源１１’は水銀ランプ或いはキセノンランプ１１１から出射する光を楕円面鏡１１２でミラ−１１３を通過させ光ファイバ−１２１の入射端に集光させる。光ファイバ−１２１はその途中で複数のファイバ−束に分岐している。複数の分岐ファイバ−の光出射端１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、１２１５は図示するように光軸方向の位置がずれるようにしている。このファイバ−の光出射端の直後に波長選択フィルタ−および指向性調整照明手段１２２１、１２２２、１２２３、１２２４、１２２５が設置されている。
【００７０】
即ち１２２１は波長が６４０ｎｍから７００ｎｍの光を通すとともにＮＤフィルタ等を重ねて用いることにより所望の光強度にする。波長選択フィルタ−および指向性調整照明手段１２２１等は図２０（Ｂ）に示すように遮光部１２２０の内側に実線で示した開口１２２１Ａが開いている。
【００７１】
同様に１２１２は５８０ｎｍから６４０ｎｍの光を通す。以下１２１３は５２０ｎｍから５８０ｎｍ、１２１４は４６０ｎｍから５２０ｎｍ、１２１５は４００ｎｍから４６０ｎｍの光を通すとともにＮＤフィルタ或いは電気信号で透過率を変化させることができる液晶シャッタ等を重ねて用いることにより所望の光強度にする。また例えば１２１５では図２０（Ｂ）の点線で示した開口１２２５Ａが開いている。この各波長選択フィルタ−および指向性調整照明手段を通過した光は波長選択ビ−ムスプリッタ１２３に入射する。
【００７２】
反射面１２３１は全反射であるが、例えば１２３３面は５８０ｎｍ以下の波長の光を反射し、５８０ｎｍ以上の波長の光を透過する。このような波長選択ビ−ムスプリッタ１２３を通ってきた光を検出光学系の照明光に用いる。例えばこの照明系１２’を図４の実施例に用いる場合を例に採ると、開口１２２１Ａ〜１２２５Ａがレンズ１０１’によりパタ−ン検出レンズ５’の入射瞳に結像され、この像の径に比例した照明指向性を持ったケ−ラ照明光を被検出パタ−ンに照射できる。
【００７３】
このようにして各波長帯の光に分離し、各波長帯の光を所望の強度比にし、かつ各波長帯の光を所望の照明指向性にして被検物に照射することが可能になる。本実施例では照明の指向性が光軸に回転対称性を有しているため、被検物のパタ−ンが一次元的であっても二次元的であっても、関係無く、望ましい照明を実現することが可能である。
【００７４】
次に２次元同時検出に用いる検出光学系の実施例を図２１に示す。
【００７５】
図２０の実施例の分光強度および指向性調整手段１２’を用いて照明されたウエハのパタ−ンからの反射光は図４等で示されている検出用対物レンズを通り、拡大結像される。この像を２次元撮像装置１４’で検出する前に図２１に示した分光透過率および開口数調整検出手段１３”を通す。この分光透過率および開口数調整検出手段１３”を図４の実施例に適用する場合には結像レンズ１０９のほぼ後側焦点位置に上記の各波長帯の分光透過率および開口数調整検出手段１３３１、１３３２、１３３３、１３３４、および１３３５が来るように配置する。ここに至るまでに、ビ−ムスプリッタ１３１により各波長を分離する。このビ−ムスプリッタは基本的に上記図２０の１２３と同じである。
【００７６】
上記の各波長帯の分光透過率および開口数調整検出手段１３３１、１３３２、１３３３、１３３４、および１３３５には図２１（Ｂ）に示すように遮光部１３３０の中央部に開口１３３１Ａ（〜１３３５Ａ）が開いており、この開口径で検出の開口数ＮＡが決まる。ここを透過した各光は再びビ−ムスプリッタ１３２で合成され、二次元撮像装置１４’に像を結ぶ。なおビ−ムスプリッタ１３２はビ−ムスプリッタ１３１や１２３とは異なり、例えば１３２３面は５２０ｎｍ以下の波長の光を透過し、５２０ｎｍ以上の波長の光を反射する。開口１３３１Ａ（〜１３３５Ａ）は各波長帯での解像度がほぼ等しくなるように、例えば数式１に示される解像度Ｌが各波長帯の中心でほぼ等しくなるように、その径が決定されている。このようにすることにより各波長でほぼ同一の解像度で、また被検出物の構造、材質に応じて最適な分光照明特性でパタ−ンを検出することが可能になる。
【００７７】
図２２（Ａ）は本発明の実施例で、図２１に示した実施例とは異なり各波長帯に分離し、被検出パタ−ンから反射した検出光を各波長帯に分離したまま別々に二次元撮像装置で検出するものである。ビ−ムスプリッタ１３１で各波長帯に分離された光は開口数調整検出手段１３３１’、１３３２’、１３３３’、１３３４’、および１３３５’で各波長帯ごとに所望の検出開口数ＮＡされた後結像レンズ１０９１、１０９２、１０９３、１０９４、および１０９５により二次元撮像装置１４１’、１４２’１４３’、１４４’、及び１４５’上に結像される。各二次元撮像装置で得られた各波長帯の検出信号は信号処理回路２’に入力される。
【００７８】
図２２（Ｂ）に示す各撮像装置の撮像面上の任意の点Ｐの座標（ｘ’，ｙ’）は検出光学系の持っている色収差等の収差の影響を受け、検出光学系が無収差の理想的な光学系の場合の結像点Ｐ０（ｘ，ｙ）とは異なっている。いまｉ番目の波長帯をλｉで表し、波長帯λｉの結像系での上記点Ｐ（ｘ’，ｙ’）と点Ｐ０（ｘ，ｙ）の関係が数式５で表せるとする。
【００７９】
【数５】
0003603880.tif 000006
【００８０】
ここで（ｘ，ｙ）（ｘ’，ｙ’）は二次元座標上の位置ベクトルであり、ｐλｉは波長帯λｉごとに異なる座標変換の関数、即ち収差による歪を表す関数である。関数ｐλｉ（ｘ’，ｙ’）は例えばウエハ上に規則正しい碁盤目のパタ−ンを形成し、このパタ−ンを用いて検出し、検出像の位置信号から求めることができる。
【００８１】
図２３は二次元パタ−ンを検出する他の実施例である。図２０で示した照明光源を用い（図示せず）、ファイバ１２１’の出射端は図１０の実施例のように分岐せず、照明光を出射させる。出射光は図２３（Ｂ）に示す指向性調整手段１２２’を通り、波長選択手段１２５５を通過する。指向性調整手段１２２’は前述した照明の指向性を各波長ごとに所望の値にする。このため図２３（Ｂ）に示すように液晶等の透過率可変領域１２２０’の内所望の領域１２２１Ａ’（波長がλｉの場合）の内側を所望の透過率にし、外側を透過率０にする。
【００８２】
波長選択手段１２５５には図２３（Ｄ）に示すように透過波長帯が少しずつ異なっているバンドパスフィルタ１２５５１〜１２５５８が円盤上に円周方向に配列されている。例えば４００ｎｍ〜７００ｎｍを８等分した波長帯λ１〜λ８の光が円盤を回転することにより得られる。このようにして得られた照明光を上記の実施例と同じようにウエハ等の被検物に照射し、得られた反射光を上述の１２２’と同じ機能を持つ開口数調整検出手段１３３’に導く。１３３’は検出光学系の瞳と共役な位置にあり、光透過領域１３３０’中の１３３１Ａ’内を透過状態、外を遮光状態にすることにより、所望の検出開口数ＮＡを得ることができる。
【００８３】
波長帯λ１での検出が完了し検出情報Ｉλｉ（ｘ’，ｙ’）を信号処理回路２”に記憶したならば、波長選択手段１２５５の円盤を回転し、波長帯λ２の検出ができるようにし、指向性調整手段１２２’および開口数調整検出手段１３３’を駆動し、この波長帯での決められた条件に設定し、検出、記憶する。以上の動作を順次波長帯λ８まで行い、総べての波長帯での検出信号の記憶が終了する。得られた信号を如何に用いるかの具体的な実施例を次に説明する。
【００８４】
図２０から図２３を用いて説明した方法により得られた例えば前述の図５に示す２次元パタ−ン４１’の４１１と４１２のｘ方向およびｙ方向のずれΔｘおよびΔｙを求める方法を図２４を用いて説明する。図２４は検出信号の処理の流れを表すと共に、処理の内容を表している。各ブロックは総べて個別に専用の電子回路で実現することもできるが、処理時間が短い部分は共通のマイコンで処理する。波長帯λｉの検出で得られた検出信号をＩλｉ（ｘ’，ｙ’）とする。パタ−ン４１１と４１２は前述したように構造及び材質が異なっているため、検出の最適分光照度分布は異なる。
【００８５】
実施例図２０、２２、２３では各波長帯で独立に検出波形が得られるので、上記最適分光照度分布に成るように、得られている信号にパタ−ン４１１と４１２ごとに、及び検出波長帯λｉごとに定数α１λｉ、α２λｉを掛けるとともに、前述の収差の補正を２２１および２２１’で行う。得られた補正後の波形は図２４の２２１および２２１’にそれぞれＩ１λｉ’（ｘ，ｙ）およびＩ２λｉ’（ｘ，ｙ）の式でで示されている。各波長で得られた補正後の波形を２２２および２２２’で総べての波長にわたりパタ−ン４１１と４１２に対し、それぞれ位置座標ごとに強度波形を足し合わせ理想的なＩ１（ｘ，ｙ）およびＩ２（ｘ，ｙ）を得る。
【００８６】
この得られた波形を用いて例えば対称性パタ−ンマッチングのアルゴリズムを用いてパタ−ン４１１および４１２のそれぞれのｘおよびｙ方向の中心位置Ｃ１ｘ、Ｃ１ｙ、Ｃ２ｘおよびＣ２ｙを２２３および２２３’で求める。図２４でｆｘおよびｆｙはパタ−ン中心を求める演算関数（例えば対称性パタ−ンマッチングの演算関数）を表す。このようにして得られたパタ−ン４１１と４１２のｘ及びｙ方向の中心から、両パタ−ンのｘ、ｙ方向の位置ずれΔｘ、Δｙは２２４で求められる。次にこのようにして得られる位置ずれ情報を如何に用いるかについての実施例を示す。
【００８７】
図２５は本発明の露光システムを示す実施例図である。１は露光装置であり、例えば図１で示される縮小露光装置である。２はこの露光装置を制御する制御回路である。１０は例えば図４で示したパタ−ン検出装置或いはアライメント評価装置である。２’はこの装置の制御回路である。９１、９２、９３はそれぞれレジスト塗布装置、現像装置、およびエッチング装置である。８はこれらフォトリソグラフィシステムを制御する制御回路である。図中点線で示した流れはウエハの流れ、実線で示した流れは信号の流れである。
【００８８】
レジスト塗布装置９１でレジストを塗布されたウエハは露光装置１に搬入される。搬入されたウエハには露光チップ毎に図２に示すようにアライメントパタ−ンが記録されているので、このアライメントパタ−ン４１（４１’）を縮小レンズ５を通して検出系１０Ｘ（１０Ｙ）で検出する。このようにして検出した位置情報とウエハステ−ジのレ−ザ−測長機（図１に図示せず）の位置情報ならびにレチクル３の位置情報を基にウエハステ−ジ７を駆動し、アライメントを行った後露光を行う。
【００８９】
このような露光をウエハ全面にわたりステップアンドリピ−トで行い、ウエハ全面にレチクル３に描画された回路パタ−ンを露光する。図１及び検出系１０Ｘの実施例に付いて既に説明したように、本発明のパタ−ン検出方法を搭載している露光装置では、正しいアライメントパタ−ン検出が行われ、正確な重ね露光が実現されている。露光されたウエハは現像装置９２に送られ、現像される。現像されたウエハには予め重ね露光の評価をするためにウエハ上に例えば図５の４１１のパタ−ンが露光前に記録されている。このパタ−ン４１１に新たなレジストパタ−ン４１２が露光されているため、これら４１１と４１２のパタ−ンの相対的な位置を１０のアライメント評価装置を用いて前述の実施例で説明したように検出することにより、重ね露光の精度が評価される。評価結果は制御回路２’から出力され、この出力２３は制御回路８に送られる。
【００９０】
制御回路８はレジスト塗布機９１及び露光装置１につながっており、重ね露光の評価結果が目標の精度に入っていなければ、その原因を分析する。その原因がレジスト塗布機にある場合にはレジスト塗布条件、例えばスピンコ−トの回転速度、回転の加減速条件、塗布機のレジスト溶媒蒸気圧或いは温度等の条件を最適になるように制御する。また重ね評価結果の悪い原因が露光装置にあるならば、露光装置内のどこに原因があるかを判断する。
【００９１】
もともと露光装置内に異常チェック機能や、アライメント検出結果や露光時の位置情報等が記録され、装置の状態が常時モニタ−、記録されている。これらの情報を制御回路８に送り、この情報とアライメント評価装置１０から送られてきた情報を用いて、露光装置１のアライメント検出系に原因があるか否かを判断する。この判断は学習機能のある制御回路８で大方の判断が可能である。本実施例のように露光装置のアライメント検出系の中に前述したような照明手段及び検出手段を具備していれば、かなりの精度の重ね露光が実現されているはずであるが、さらに高い精度の重ね露光が要求されていたり、露光装置に前述したような照明手段及び検出手段を具備していない場合には、アライメント評価結果を基に露光装置にフィ−ドバックし、以降の露光では高いアライメント精度が得られるようにする必要がある。このフィ−ドバックの方法としては２つの方法が有効である。
【００９２】
第一の方法はアライメント評価の結果得られたｘ、ｙ及びθ（θは露光チップのｒ離れた２か所にある２個のｘ方向検出パタ−ンの位置ｘ１、ｘ２を検出し次式でもとまる、θ＝（ｘ１−ｘ２）／ｒ）方向の重ね誤差の値Δｘ、Δｙ、Δθを次回の露光時にオフセット値として与え、ソフト的に補正を掛ける。即ち、このウエハを露光したときのオフセット値が例えばΔｘ０、Δｙ０、Δθ０であったとすると、このフィ−ドバックを掛けて次回に露光するときのオフセット値Δｘ１、Δｙ１、Δθ１をΔｘ１＝Δｘ０−Δｘ、Δｙ１＝Δｙ０−Δｙ、Δθ１＝Δθ０−Δθにして露光する。このようにすることによりフィ−ドバック後の重ね合わせ精度は大幅に向上する。
【００９３】
第二の方法は露光装置のアライメント検出系の前述の照明系の分光照度分布及び照明の指向性、並びに検出光学系の各波長ごとの検出の開口数等の条件をさらに最適になるように変える。以上のいずれかの方法を用いてアライメント評価結果を露光装置、或いはレジスト塗布装置にフィ−ドバックすることにより、重ね合わせ露光精度は大幅に向上する。
【００９４】
次に本発明の露光システムの実施例を図２６を用いて説明する。本図と図２５が同一番号は同一物を表している。図中の点線の矢印はウエハの流れを表しているが、ほぼ総べてのケ−スに付いて併記しているため、後の説明を判り易くするため各流れにＦで始まる番号を付けている。実線の矢印は信号情報の流れを表している。以下にこの図を用いて複数の実施例（Ａ）〜（Ｅ）について説明する。
【００９５】
（実施例Ａ）
ウエハの流れ：Ｆ１１→Ｆ１２→Ｆ２１→Ｆ２２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５
前の露光、現像エッチング工程で形成されたウエハアライメントパタ−ン（レジスト未塗布）をアライメント評価装置１０で評価し、ウエハパタ−ンの対称性等を評価する。通常は対称性が良いので、この場合は以降のレジストが塗布された状態で再びアライメント評価装置１０で評価する。このアライメントパタ−ンを検出した結果が非対称であれば、レジストの塗布が非対称に成されていると判断できる。
【００９６】
即ち、この場合は、前述したようにレジスト塗布の非対称に対して検出波形が対称になるように、前述の露光装置１のアライメント検出系の分光照度および指向性調整照明手段１２及び分光透過率および開口数調整検出手段１３を用いて、最適な条件で検出する様に露光装置１にフィ−ドフォワ−ドする。このようにすれば露光装置１で露光に先だって行われるアライメント検出はレジスト塗布むらの影響を受けること無く、正確な重ね合わせ露光が実現される。
【００９７】
この場合には露光現像後に再びアライメント評価装置を用いて、アライメント結果を評価する必要はない。しかし確認の意味でＦ４の代わりにアライメント結果の評価Ｆ４１→Ｆ４２を行っても良い。前述のＦ１１の後でアライメント評価装置１０で評価した結果ウエハパタ−ンの対称性が悪い場合はその結果を制御装置８に送り、エッチング装置にフィ−ドバックする（図示せず）か、この非対称性を評価しアライメントのオフセット値を決定し露光装置１にフィ−ドフォワ−ドする。
【００９８】
（実施例Ａ’）
ウエハの流れ：Ｆ１１→Ｆ１２→Ｆ２１→Ｆ２２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５
ウエハの流れは実施例Ａと同一である。
【００９９】
本実施例では露光装置１のアライメント検出系には上記の本発明の手段が施されておらず、例えば水銀ランプやレ−ザ光でえられる単色光を照明光源として検出しているとする。このような場合でも本実施例を用いれば、高いアライメント精度で露光することが可能である。
【０１００】
以下にこれを実現する方法を示す。
【０１０１】
先ず、アライメント評価装置１０検出系の条件を露光装置のアライメント検出系と同一の条件となる様にする。これはアライメント評価装置１０には分光照度、照明の指向性、検出の開口数がすべてコントロ−ルできるようになっているため、露光装置のアライメント検出系と同一条件にすることは容易に実現できる。このような状態（露光装置のアライメント検出系と同一条件）でウエハのアライメントパタ−ンの位置検出を行う。
【０１０２】
この結果を例えば（ｘ１，ｙ１）次にウエハの位置は固定にしたまま、前述の検出の最適条件に成る様にアライメント評価装置の光学系を変え、ウエハのアライメントパタ−ンの位置検出を行う。この結果を（ｘ０，ｙ０）とする。
【０１０３】
これら検出結果を用いてオフセット値Δｘ＝ｘ０−ｘ１，Δｙ＝ｙ０−ｙ１を求め、この値を次に行う露光の際のアライメント検出結果に加えることにより、高い精度で重ね露光を行うことができる。露光後のフロ−は実施例Ａと同一である。
【０１０４】
（実施例Ｂ）
ウエハの流れ：Ｆ１→Ｆ２１→Ｆ１２→Ｆ２１→Ｆ２２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５
ウエハ上に形成されているパタ−ンの対称性が安定に保たれている場合には、レジストを塗布する前にアライメントパタ−ンを評価する必要がない。この場合はレジスト塗布後の評価をアライメント評価装置で行い、前述したように露光装置のアライメント検出系の照明、検出条件を最適化する。以降のフロ−は実施例Ａと同じである。
【０１０５】
（実施例Ｂ’）
ウエハの流れ：Ｆ１→Ｆ２１→Ｆ１２→Ｆ２１→Ｆ２２→Ｆ３→Ｆ４→Ｆ５
ウエハの流れは実施例Ｂと同一である。
【０１０６】
本実施例では実施例Ａ’同様に、露光装置１のアライメント検出系には上記の本発明の手段が施されておらず、例えば水銀ランプやレ−ザ光でえられる単色光を照明光源として検出している。実施例Ａ’同様にアライメント評価装置１０で露光装置のアライメント検出系と同一の検出条件で検出した結果と、最適条件で検出した結果から露光装置のアライメント検出のオフセットを求め重ね露光を行う。
【０１０７】
（実施例Ｃ）
ウエハの流れ：Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ４１→Ｆ３２→Ｆ４→Ｆ５
本実施例は図２５と同一であるので、説明を省略する。
【０１０８】
（実施例Ｄ）
ウエハの流れ：Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ４１→Ｆ４２→Ｆ５１→Ｆ５２
露光後に現像し、図５に示すように露光前に形成されていたパタ−ン４１１と露光により形成されたレジストパタ−ン４１２の合わせ精度をアライメント評価装置１０で評価する。評価後エッチングを行い、４１２のレジストマスクで形成されたエッチングパタ−ンと４１１のパタ−ンの合わせ精度を評価する。これら２回の評価結果が一致していれば、問題にならないが、一致していなければこの不一致量を次のウエハの露光時にアライメントのオフセット値として加えることにより、エッチングに伴い発生したアライメントオフセットを補正することが可能になり、次のウエハのパタ−ンの重ね合わせ露光を高精度に実現する。
【０１０９】
（実施例Ｅ）
ウエハの流れ：Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３１→Ｆ３２→Ｆ４１→Ｆ４２→Ｆ５
露光後で現像する前のウエハをアライメント評価装置で評価する。この評価は露光後にレジストパタ−ンに形成されている潜像と既に形成されている下地のパタ−ンの合わせ精度を評価することになる。この評価で得られたずれ量はこのウエハを現像する前に得られるので、この結果を即座に次のウエハの露光時のアライメントオフセット値として活かすことができるため、スル−プットを落すこと無く、重ね合わせ露光を高精度に実現する。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明により、半導体回路の露光におけるアライメントがウエハ上に塗布されたレジストの塗布むらや、下地パタ−ンの膜構造に依存せず高精度に行えるようになり、実装密度の高い回路を高い歩留で生産することが可能になった。また半導体回路の生産において実施される、形成パタ−ンの寸法、間隔等の計測が高精度に実行できるようになり、生産歩留の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパタ−ン検出方法および装置及びそれを用いた投影露光装置を示すブロック図。
【図２】被検物体であるウエハ上の回路及び検出パタ−ンの平面図。
【図３】検出パタ−ンの構造を示す斜視図。
【図４】本発明のパタ−ン検出方法および装置のブロック図。
【図５】被検物体のパタ−ンの平面図。
【図６】被検物体のパタ−ンの断面図。
【図７】本発明の分光強度および指向性調整照明手段および分光透過率および開口数調整検出手段を示す断面図。
【図８】本発明の第１の空間光透過率変調器の平面図及びその透過率を示すグラフ。
【図９】本発明の第２の空間光透過率変調器の平面図及びその透過率を示すグラフ。
【図１０】（Ａ）スピンコ−タで塗布されたレジストの膜厚
（Ｂ）レジスト厚に対する多重干渉強度
（Ｃ）所望の分光照明強度の例
【図１１】（Ａ）所望の分光照明強度の例
（Ｂ）光源の分光強度
（Ｃ）光学系の分光透過率
（Ｄ）分光強度および指向性調整照明手段（または分光透過率および開口数調整検出手段）の空間光透過率変調器の透過率
【図１２】本発明における分光透過率を決定する過程を示すブロック図。
【図１３】レジスト塗むらがある場合の断面構造と従来の単波長光で検出したときの検出波形を示す図。
【図１４】下地の材質の分光反射率に波長依存性が強い場合の従来の白色光検出で検出したときの検出波形を示す図。
【図１５】本発明の作用を示す図。
【図１６】本発明のパタ−ン検出方法および装置を示すブロック図。
【図１７】検出波形を示す図。
【図１８】本発明における色収差補正を示す図。
【図１９】本発明による短冊上のＮＤフィルタにより構成した空間光透過率変調器を示す平面図及びその透過率を示すグラフ。
【図２０】二次元パタ−ンを検出する場合の本発明の照明系を示すブロック図。
【図２１】二次元パタ−ンを検出する場合の本発明の検出系を示すブロック図。
【図２２】二次元パタ−ンを検出する場合の本発明の検出系を示すブロック図。
【図２３】二次元パタ−ンの検出系を示すブロック図。
【図２４】二次元パタ−ンを検出する場合の本発明の処理フロ−を示す図。
【図２５】本発明の露光システムを示すブロック図。
【図２６】本発明の露光システムを示すブロック図。
【符号の説明】
１…露光装置、２…信号処理回路、４…ウエハ、５…縮小投影レンズ、５’…対物レンズ、８…制御装置、１０…パタ−ン検出装置、１１…光源、１４…パタ−ン検出手段、２２…信号入力端末、４１…検出パタ−ン、９１…レジスト塗布装置、９２…現像装置、９３…エッチング装置、１２１…分光手段、１２４’…シリンドリカルレンズ、１１５１…空間光透過率変調器。
【図１】
0003603880.tif 000007
【図２】
0003603880.tif 000008
【図３】
0003603880.tif 000009
【図４】
0003603880.tif 000010
【図５】
0003603880.tif 000011
【図６】
0003603880.tif 000012
【図７】
0003603880.tif 000013
【図８】
0003603880.tif 000014
【図９】
0003603880.tif 000015
【図１０】
0003603880.tif 000016
【図１１】
0003603880.tif 000017
【図１２】
0003603880.tif 000018
【図１３】
0003603880.tif 000019
【図１４】
0003603880.tif 000020
【図１５】
0003603880.tif 000021
【図１６】
0003603880.tif 000022
【図１７】
0003603880.tif 000023
【図１８】
0003603880.tif 000024
【図１９】
0003603880.tif 000025
【図２０】
0003603880.tif 000026
【図２１】
0003603880.tif 000027
【図２２】
0003603880.tif 000028
【図２３】
0003603880.tif 000029
【図２４】
0003603880.tif 000030
【図２５】
0003603880.tif 000031
【図２６】
0003603880.tif 000032