(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の情報を計測する計測方法において、
前記情報の計測誤差の時間的変化を測定するステップと、
該測定された計測誤差の時間的変化に基づいて、前記計測誤差を測定する頻度を決定するステップと、
前記決定された頻度で前記計測誤差を測定し、且つ前記情報の計測値を最新の前記計測誤差により補正するステップとを有することを特徴とする計測方法。
【請求項２】
前記計測誤差の時間的変化率をａ、目標計測精度をｃとすると、前記計測誤差を測定する時間間隔Ｔを
Ｔ≦ａ／ｃ
に設定するステップを有することを特徴とする請求項１記載の計測方法。
【請求項３】
２物体の位置ずれを計測する計測方法において、
予め位置ずれ量が知れた２つの参照物体の位置ずれを計測することによって前記２物体の位置ずれの計測誤差の時間的変化を測定するステップと、
該測定された計測誤差の時間的変化に基づいて、前記計測誤差を測定する頻度を決定するステップと、
前記決定された頻度で前記計測誤差を測定し、且つ前記２物体の位置ずれの計測値を最新の前記計測誤差により補正するステップとを有することを特徴とする計測方法。
【請求項４】
前記計測誤差の時間的変化率をａ、目標位置ずれ計測精度をｃとすると、前記計測誤差を測定する時間間隔Ｔを
Ｔ≦ａ／ｃ
に設定するステップを有することを特徴とする請求項３記載の計測方法。
【請求項５】
半導体基板に回折格子で構成されるアライメントマークと共に重ね焼きされた２つの前記回路パターンの位置ずれを、２つの前記アライメントマークで構成される計測マークの計測値としてヘテロダイン干渉法により位置ずれ計測装置を用いて計測する際、
前記位置ずれ計測装置に相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される安定度モニタ用マークを設け、前記半導体基板に相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される参照マークを設け、前記安定度モニタ用マークを計測して、その計測値から前記位置ずれ計測装置の光源の安定度を判定し、該光源の安定度に応じて前記安定度モニタ用マーク及び前記参照マークの計測頻度を決定し、該決定された計測頻度で計測された前記参照マークの計測値を使用して前記計測マークの計測値を補正することを特徴とする位置ずれ計測方法。
【請求項６】
前記光源の安定度の判定は安定度モニタ用マークの計測値の時間当たりの変化率によって行うことを特徴とする請求項５記載の位置ずれ計測方法。
【請求項７】
２物体の位置ずれを検出する位置ずれ計測装置において、
予め位置ずれ量が知れた２つの参照物体の位置ずれの計測値を記憶する手段と、
該記憶された前記２つの参照物体の位置ずれの計測値によって、前記２物体の位置ずれの計測誤差の時間的変化を算出する手段と、
該算出された計測誤差の時間的変化に基づいて、前記計測誤差を測定する頻度を決定する手段と、
該決定された頻度で測定された最新の前記計測誤差により、前記２物体の位置ずれの計測値を補正する手段とを有することを特徴とする位置ずれ計測装置。
【請求項８】
前記計測誤差の時間的変化率をａ、目標位置ずれ計測精度をｃとすると、前記計測誤差を測定する時間間隔Ｔを
Ｔ≦ａ／ｃ
に設定する手段を有することを特徴とする請求項７の位置ずれ計測装置。
【請求項９】
半導体基板に形成された２つの回折格子の位置ずれを、該２つの回折格子より成る計測マークの計測値として、レーザーを光源とするヘテロダイン干渉法によって計測する位置ずれ計測装置において、
前記半導体基板を支持する半導体基板支持部上に設けた、位置ずれ量が既知の２つの回折格子より成る安定度モニタ用マークと、
該安定度モニタ用マークの計測値を記憶する計測値記憶部と、
該計測値記憶部に記憶している安定度モニタ用マークの計測値を用いて前記レーザー光源の安定度を算出する演算手段と、
前記計測マークの計測値の補正情報を与える補正手段とを有し、
前記レーザー光源の安定度に応じて前記安定度モニタ用マークの計測頻度を決定し、前記補正手段を用いて前記計測マークの計測値を補正することを特徴とする位置ずれ計測装置。
【請求項１０】
前記レーザー光源の安定度の判定は２つの時刻の前記安定度モニタ用マークの計測値を用いて演算する時間当たりの前記安定度モニタ用マークの計測値の変化率であることを特徴とする請求項９記載の位置ずれ計測装置。
【請求項１１】
前記レーザー光源の起動時以後の前記安定度モニタ用マークの計測値の標準的経時特性を記憶する標準値記憶部を有し、
前記安定度モニタ用マークの計測値が前記標準的経時特性に対して所定の幅の中にあるか否かを判定し、これによって前記レーザー光源の異常を検出することを特徴とする請求項９又は１０記載の位置ずれ計測装置。
【請求項１２】
前記補正手段は、前記半導体基板に形成した位置ずれ量が既知の２つの回折格子より成る参照マークを有し、
前記レーザー光源の安定度に応じて該参照マークの計測頻度を決定し、該参照マークの計測値を用いて前記計測マークの計測値を補正することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項記載の位置ずれ計測装置。
【請求項１３】
補助照明光源と、該補助照明光源からの光束を位置ずれ計測領域に照射する照射手段と、該位置ずれ計測領域の画像を取り込む画像入力手段と、該取り込んだ画像を記憶する観察画像蓄積部とを有し、
前記レーザー光源の安定度に応じて前記補助照明光源からの光束で前記位置ずれ計測領域を照射して、前記画像入力手段を介して前記観察画像蓄積部へ画像を取り込み、該取り込んだ画像を用いて位置ずれ計測の制御を行うことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項記載の位置ずれ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置ずれ計測方法及びそれを用いた位置ずれ計測装置に関し、特に、半導体基板上に微細な回路パターンを位置合わせをして重ね焼き付けをした時に、各焼き付け時の回路パターン同士が感光体上でどれ程正確に重ね合わされているかを計測する半導体素子製造用の露光装置による位置合わせの正確さを計測する場合に好適に応用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平４−２１２００２号公報に於いては半導体基板上に重ね焼付けを行った回路パターンのずれを検出する際に二周波レーザーを光源として用いヘテロダイン干渉法を用いて計測する装置が開示されている。同公報では重ね焼きの際に同時に形成した回折格子を利用して２つの回折光のビート信号の位相差を検出して２つの回折格子間の相対的位置ずれを計測している。かかるレーザーを光源とする位置ずれ計測装置では、装置の電源を投入してからレーザーヘッドに対して十分なウォーミングアップ時間をおいてから計測を開始するか、又はレーザーヘッドを昼夜を問わず連続運転させておいて、装置を定常状態に保ち、もって安定な計測性能を得ることで高精度の計測を実現していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に市販のレーザーヘッドのウォーミングアップ時間は３０分程で良いとされている。しかし、上記公報で提案している位置ずれ計測装置の如く高精度、高分解能の位置ずれ計測装置では、レーザー光源の安定性への要求が厳しくなり、３０分程度のウォーミングアップ時間では不十分となり、更に長時間のウォーミングアップ時間を必要とし、計測装置の稼働時間に制約を来していた。
【０００４】
又環境の変化に対して計測装置の精度も敏感に変化することになり、計測値の再現性が低下する課題も生じていた。
【０００５】
図９は二周波レーザーを光源として２つの回折格子間の相対的位置ずれを回折光のヘテロダイン干渉を利用して測定する場合のずれ計測値の経時特性の説明図である。図中、横軸は時間を示し、縦軸は回折格子のずれの計測値を示している。本来この２つの回折格子は相対的位置ずれ△Ｘ＝△Ｙ＝０で形成されているものであり、計測値も０でなければならない。しかしながらレーザー光の照射ビームにドリフト性の変動や周波数の変動が残っていると回折格子への照射ビームは本来の計測位置からずれた位置を照射する。即ち２つの回折格子を偏心して照射することになる。この状態で２つの回折格子の位置ずれを測定すれば△Ｘ、△Ｙは０を示さずに或る値を示すことになる。いわば見かけのずれ（計測装置の経時的計測誤差）を示すことになる。
【０００６】
同図はこの見かけのずれが時間の経過と共に０になる様子を示すものである。同図において時刻Ｏは二周波レーザー光源を起動して数１０分のウォーミングアップの後、二周波レーザーが一応定常状態になった時刻である。一般に市販の二周波レーザー光源にはこの定常状態を確認できる表示器や信号出力を備えているので、時刻Ｏを確認できる。
【０００７】
時刻Ｏから時刻Ａまでの間、即ち区間ＯＡでは計測値が激しく変動する。次に区間ＡＢでは、変動は一時安定している。しかし区間ＢＣでは計測値の変動は再び大きくなる。そして区間ＣＤでは計測値の変動は収まり、見かけのずれは殆ど０になり安定になる。
【０００８】
従って二周波レーザーを光源とする位置ずれ計測装置ではレーザー光源が一応定常状態になっても更に長時間ウォーミングアップを続け、完全にドリフト性変動が無くなってから計測を開始しなければならなかった。この事情はレーザーを光源とする高精度の計測装置については略同様である。
【０００９】
本発明は、位置ずれ計測装置上に相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される安定度モニタ用マークを設け、又半導体基板上にも相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される参照マークを設け、安定度モニタ用マークの計測値で光源の安定度をモニタすることにより、適切な頻度で安定度モニタ用マークの計測及び参照マークの見かけのずれ値をチェックし、目的の計測マークの見かけの計測値から参照マークの見かけのずれ値を補正することによって、レーザー光源中に僅かのドリフト性変動がある場合でも、常に精度の高い、安定したずれ計測値の得られる位置ずれ計測方法及びそれを用いた位置ずれ計測装置の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の計測方法は、
物体の情報を計測する計測方法において、
前記情報の計測誤差の時間的変化を測定するステップと、
該測定された計測誤差の時間的変化に基づいて、前記計測誤差を測定する頻度を決定するステップと、
前記決定された頻度で前記計測誤差を測定し、且つ前記情報の計測値を最新の前記計測誤差により補正するステップとを有することを特徴としている。
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記計測誤差の時間的変化率をａ、目標計測精度をｃとすると、前記計測誤差を測定する時間間隔Ｔを
Ｔ≦ａ／ｃ
に設定するステップを有することを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明の計測方法は、
２物体の位置ずれを計測する計測方法において、
予め位置ずれ量が知れた２つの参照物体の位置ずれを計測することによって前記２物体の位置ずれの計測誤差の時間的変化を測定するステップと、
該測定された計測誤差の時間的変化に基づいて、前記計測誤差を測定する頻度を決定するステップと、
前記決定された頻度で前記計測誤差を測定し、且つ前記２物体の位置ずれの計測値を最新の前記計測誤差により補正するステップとを有することを特徴としている。
請求項４の発明は請求項３の発明において、
前記計測誤差の時間的変化率をａ、目標位置ずれ計測精度をｃとすると、前記計測誤差を測定する時間間隔Ｔを
Ｔ≦ａ／ｃ
に設定するステップを有することを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明の位置ずれ計測方法は、
半導体基板に回折格子で構成されるアライメントマークと共に重ね焼きされた２つの前記回路パターンの位置ずれを、２つの前記アライメントマークで構成される計測マークの計測値としてヘテロダイン干渉法により位置ずれ計測装置を用いて計測する際、
前記位置ずれ計測装置に相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される安定度モニタ用マークを設け、前記半導体基板に相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される参照マークを設け、前記安定度モニタ用マークを計測して、その計測値から前記位置ずれ計測装置の光源の安定度を判定し、該光源の安定度に応じて前記安定度モニタ用マーク及び前記参照マークの計測頻度を決定し、該決定された計測頻度で計測された前記参照マークの計測値を使用して前記計測マークの計測値を補正することを特徴としている。
請求項６の発明は請求項５の発明において、
前記光源の安定度の判定は安定度モニタ用マークの計測値の時間当たりの変化率によって行うことを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明の位置ずれ計測装置は、
２物体の位置ずれを検出する位置ずれ計測装置において、
予め位置ずれ量が知れた２つの参照物体の位置ずれの計測値を記憶する手段と、
該記憶された前記２つの参照物体の位置ずれの計測値によって、前記２物体の位置ずれの計測誤差の時間的変化を算出する手段と、
該算出された計測誤差の時間的変化に基づいて、前記計測誤差を測定する頻度を決定する手段と、
該決定された頻度で測定された最新の前記計測誤差により、前記２物体の位置ずれの計測値を補正する手段とを有することを特徴としている。
請求項８の発明は請求項７の発明において、
前記計測誤差の時間的変化率をａ、目標位置ずれ計測精度をｃとすると、前記計測誤差を測定する時間間隔Ｔを
Ｔ≦ａ／ｃ
に設定する手段を有することを特徴としている。
【００１４】
請求項９の発明の位置ずれ計測装置は、
半導体基板に形成された２つの回折格子の位置ずれを、該２つの回折格子より成る計測マークの計測値として、レーザーを光源とするヘテロダイン干渉法によって計測する位置ずれ計測装置において、
前記半導体基板を支持する半導体基板支持部上に設けた、位置ずれ量が既知の２つの回折格子より成る安定度モニタ用マークと、
該安定度モニタ用マークの計測値を記憶する計測値記憶部と、
該計測値記憶部に記憶している安定度モニタ用マークの計測値を用いて前記レーザー光源の安定度を算出する演算手段と、
前記計測マークの計測値の補正情報を与える補正手段とを有し、
前記レーザー光源の安定度に応じて前記安定度モニタ用マークの計測頻度を決定し、前記補正手段を用いて前記計測マークの計測値を補正することを特徴としている。
請求項１０の発明は請求項９の発明において、
前記レーザー光源の安定度の判定は２つの時刻の前記安定度モニタ用マークの計測値を用いて演算する時間当たりの前記安定度モニタ用マークの計測値の変化率であることを特徴としている。
請求項１１の発明は請求項９又は１０の発明において、
前記レーザー光源の起動時以後の前記安定度モニタ用マークの計測値の標準的経時特性を記憶する標準値記憶部を有し、
前記安定度モニタ用マークの計測値が前記標準的経時特性に対して所定の幅の中にあるか否かを判定し、これによって前記レーザー光源の異常を検出することを特徴としている。
請求項１２の発明は請求項９〜１１のいずれか１項の発明において、
前記補正手段は、前記半導体基板に形成した位置ずれ量が既知の２つの回折格子より成る参照マークを有し、
前記レーザー光源の安定度に応じて該参照マークの計測頻度を決定し、該参照マークの計測値を用いて前記計測マークの計測値を補正することを特徴としている。
請求項１３の発明は請求項９〜１２のいずれか１項の発明において、
補助照明光源と、該補助照明光源からの光束を位置ずれ計測領域に照射する照射手段と、該位置ずれ計測領域の画像を取り込む画像入力手段と、該取り込んだ画像を記憶する観察画像蓄積部とを有し、
前記レーザー光源の安定度に応じて前記補助照明光源からの光束で前記位置ずれ計測領域を照射して、前記画像入力手段を介して前記観察画像蓄積部へ画像を取り込み、該取り込んだ画像を用いて位置ずれ計測の制御を行うことを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例１の要部構成図である。本実施例は位置ずれ計測装置を半導体素子製造装置に適用して、重ね合わせ精度の測定を行うものである。
【００２１】
図２は図１の安定度モニタ用マーク、参照マーク、計測マークの形状説明図、図３は図１の半導体基板支持部１０に載置された半導体基板１１の斜視図、図４は図１の計測マークの説明図である。
【００２２】
図中、ＭＭ  は例えば２つの回折格子より構成される図２（Ａ）に示すパターンを持ち、半導体基板支持部１０上で半導体基板１１に隣接した位置に形成している。即ちこのパターンでは２つの回折格子の相対的ずれ△Ｘ＝△Ｙは０として構成されている。以後この２つの回折格子ＭＭ  を「安定度モニタ用マーク」と、安定度モニタ用マークの相対的位置ずれの計測を「安定度モニタ用マークの計測」と、その計測値（即ち計測装置の計測誤差）を「安定度モニタ用マークの計測値」と呼称する。
【００２３】
ＭＲ  は例えば２つの回折格子より構成される図２（Ａ）に示す安定度モニタ用マークＭＭ  と同じパターンを持ち、半導体基板１１上に半導体プロセスによって、予め焼き付けて形成している。以後この２つの回折格子ＭＲ  を「参照マーク」と、この参照マークＭＲ  の相対的位置ずれの計測を「参照マークの計測」と、その計測値を「参照マークの計測値」と呼称する。なお、参照マークＭＲ  は補正手段の一要素を構成している。
【００２４】
Ｍｉ，ｊ  はアライメントマークであり、これは図２（Ｂ）に示す様に回折格子のパターンを持ち、図４に示すように半導体基板１１上への回路パターン焼き付け１回毎に回路パターン焼き付けと同時に焼き付けて形成している。下付字ｉ  はｉ回目の半導体プロセスを意味し、ｊは１つの半導体基板１１中で第ｊ番目のショット（焼き付け）を意味する。従って、アライメントマークＭｉ，ｊ  は１ショットの焼き付け範囲の周辺部にこれまでの焼き付け回数ｎに対応する個数が所定の間隔をおいて形成されている。
【００２５】
そこで半導体基板１１上に重ね焼き付けされている回路パターン同士が感光体上でどれ程正確に重ね合わされているかを計測する場合には第ｉ−１プロセスで焼き付けたアライメントマークＭｉ−１，ｊ  と第ｉプロセスで焼き付けたアライメントマークＭｉ，ｊ  とのずれを計測する。即ち図２（Ｂ）に示すアライメントマークＭｉ−１，ｊ  とアライメントマークＭｉ，ｊ  との相対的ずれを計測する。以後この２つの回折格子を「計測マーク」と、この２つの回折格子の相対的位置ずれの計測を「計測マークの計測」と、その計測値を「計測マークの計測値」と呼称する。
【００２６】
１は二周波レーザー光源（レーザー光源）であり、光ヘテロダイン干渉計測用の光源である。２は補助照明光源であり、位置ずれ計測領域を後記の計測制御部からの制御信号Ｓ１４によって照明する。３は第１の照射手段であり、レーザー光源１の光束からヘテロダイン干渉に適した少なくとも２つの光束を形成し、後記のマーク部分（位置ずれ計測領域）を所定の入射角で以て照射する。１３は第２の照射手段であり、補助照明光源２からの光束で以て位置ずれ計測領域を照射する。
【００２７】
１４は受光光学系であり、マークである回折格子からの所定回折光３１で以て構成される光ビームを受光し、光ヘテロダイン干渉によって得られるビート信号Ｓ１を出力する。１２は画像入力手段であり、位置ずれ計測領域の画像を取り込み画像信号Ｓ１３として後記の観察画像蓄積部へ出力する。４は信号処理系であり、受光光学系１４からのビート信号Ｓ１を処理してその位相情報から相対的位置ずれ量を算出して計測値Ｓ２として出力する。なお、受光光学系１４及び信号処理系４は各々検出手段の一要素を構成している。
【００２８】
５は計測値記憶部であり、信号処理系４からの計測値Ｓ２と共に計測対象の種類及び必要に応じて計測時刻を記憶する。６は差分器（演算手段）であり、計測値記憶部５中の２つの安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値Ｓ３，Ｓ４を用いて単位時間当たりの安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値の変化率を計算して、演算結果Ｓ７を出力する。７は標準値記憶部であり、予め安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値の標準的経時計測特性を記憶させてある。
【００２９】
８は比較器（比較手段）であり、安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値Ｓ５と標準値記憶部７中の安定度計測マークの計測値の標準データＳ６との比較を行い比較結果Ｓ８を出力している。９は計測制御部であり、装置全体の制御を行うと共に装置各部分からの情報を基に装置の精度維持、計測制御や演算を行う。
【００３０】
１０は半導体基板支持部材、１１は半導体基板、１５は二周波レーザー光源１から出射したレーザー光、１６は補助照明光源２からの照明光、３０はレーザー照射光、３１はマークからの回折光、４０は補助光の照射光、４１は位置ずれ計測領域からの補助光の反射光である。
【００３１】
３３は位置合わせ機構（ＸＹテーブル）、３４は観察画像蓄積部である。
【００３２】
本実施例の動作を説明する。ただし、照射手段、受光光学系については特開平４−２１２００２号公報に開示しているものを使用するので、ここでは説明を省略する。
二周波レーザー光源１から出射したレーザー光１５は第１の照射手段３を経由して、照射光３０となって所定の位置ずれ計測領域をスポット状に照射する。一方、位置合わせ機構３３は計測制御部９からの制御信号Ｓ１２を受け、照射光３０のビームスポットの位置に計測しようとしているマークをおおよそ位置合わせする。この時観察画像蓄積部３４は照射光３０のビームスポット付近の画像を取り込み、この画像を利用してマークの位置合わせの際に、所望の位置への追い込みと位置合わせ確認を行う。
【００３３】
一般的にマークの位置合わせが完了すれば、該マークが計測位置に位置しており、更にこの位置には照射光３０のビームスポットが来ているので、回折光３１が受光光学系１４に入射する。そして受光光学系１４の中で重ね合わせ精度情報を有する電気信号に変換されて、ビート信号Ｓ１を出力する。
【００３４】
信号処理系４はビート信号Ｓ１を受け取り、その位相情報を利用して計測値を算出し計測値Ｓ２を出力する。
【００３５】
ここで計測値について説明する。
【００３６】
安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値は△ＸＭ  ，△ＹＭ  である。これは前記のようにレーザー光源１が全く定常状態になっていれば本来０と計測されるべきものが、レーザー光源１のドリフト性変動や波長性の変動が残っておれば、それに起因して０ではない値を示す。本実施例では安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値を使用して計測値の単位時間当たりの変化率を算出して光源の安定度をモニタしている。
【００３７】
参照マークＭＲ  の計測値は△ＸＲ  ，△ＹＲ  であり、これは見かけのずれ値である。これは計測マークＭｉ−１，ｊ  、Ｍｉ，ｊ  の計測時の誤差を除去するために、計測動作中に計測制御部９からの制御信号により時々計測している。
【００３８】
計測マークＭｉ−１，ｊ  、Ｍｉ，ｊ  の計測値は△ｘｉ，ｊ  ，△ｙｉ，ｊ  であり、これは見かけの計測値である。
【００３９】
従って計測値Ｓ２としては（△ＸＭ  ，△ＹＭ  ）、（△ＸＲ  ，△ＹＲ  ）、（△ｘｉ，ｊ  ，△ｙｉ，ｊ  ）がある。一方、計測制御部９は計測時刻ｔとマーク識別番号を計測値記憶部５へ制御信号Ｓ９によって与える。そして計測値Ｓ２は必要に応じて計測時刻ｔとマーク識別番号と共に、計測値記憶部５に蓄積記憶する。
【００４０】
又、計測制御部９は今計測したものが計測マークＭｉ−１，ｊ  、Ｍｉ，ｊ  の見かけの計測値△ｘｉ，ｊ  ，△ｙｉ，ｊ  である場合は、この計測値と参照マークＭＲ  の見かけのずれ値△ＸＲ  ，△ＹＲ  を計測値記憶部５から信号Ｓ１５として取り込み、次式の演算を行い、
△Ｘｉ，ｊ  ＝△ｘｉ，ｊ  −△ＸＲ                （１）
△Ｙｉ，ｊ  ＝△ｙｉ，ｊ  −△ＹＲ                （２）
計測マークＭｉ−１，ｊ  、Ｍｉ，ｊ  のずれ計測値△Ｘｉ，ｊ  ，△Ｙｉ，ｊ  として計測値記憶部５へ制御信号Ｓ９に乗せて送り、記憶する。
【００４１】
従って、計測値記憶部５で蓄積記憶される計測値は
▲１▼安定度モニタ用マークＭＭ  の経時計測値      △ＸＭ，ｔ  ，△ＹＭ，ｔ  ・・
▲２▼参照マークＭＲ  の計測値（見かけのずれ値）  △ＸＲ  ，△ＹＲ
▲３▼計測マークＭｉ−１，ｊ  、Ｍｉ，ｊ  のずれ計測値    △Ｘｉ，ｊ  ，△Ｙｉ，ｊ
これは第ｊショットの部分について第ｉ番目の半導体プロセスにおける焼き付けパターンと第ｉ−１番目の半導体プロセスにおける焼き付けパターンの重ね合わせ誤差である。
の３種類ある。
【００４２】
標準値記憶部７には、安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値の標準的経時特性（△ＸＭ，Ｔ  ，△ＹＭ，Ｔ  ・・・・）を標準データとして予め記憶させてある。つまり計測制御部９から標準値記憶部７に対して、二周波レーザー光源１を起動してからの時間ｔを、制御信号Ｓ１０により与えると、標準値記憶部７はこの時間ｔ（＝Ｔ）に対応する安定度モニタ用マークＭＭ  の測定値の標準データを標準値記憶部７から選択して、標準データＳ６として比較器８へ出力する。
【００４３】
そして計測制御部９からの制御信号Ｓ９によって、計測値記憶部５が蓄積しているデータの中から、２つの安定度モニタ用マークＭＭ，ｔ  の計測値（△ＸＭ，ｔ１、△ＹＭ，ｔ１）、（△ＸＭ，ｔ２、△ＹＭ，ｔ２）を選び出し、計測値Ｓ３、Ｓ４として差分器６へ出力する。計測値Ｓ３とＳ４は、比較的近接した時刻ｔ１，ｔ２に計測されたデータである。これによって差分器６は次式の演算を行う。
【００４４】
【数１】
0003548298.tif 000002
この演算結果Ｓ７は、或る近接した二つの時刻（ｔ１〜ｔ２）間の、安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値の変化率を示す。
【００４５】
一方、比較器８は計測値記憶部５より、安定度モニタ用マークＭＭ  の最近の計測値Ｓ５（△ＸＭ，ｔ  、△ＹＭ，ｔ  ）を受け取り、標準値記憶部７から得た標準データＳ６（△ＸＭ，Ｔ  、△ＹＭ，Ｔ  ）に対してある巾の中にあるか否かを判定し、
その結果を比較結果Ｓ８として計測制御部９へ出力する。もし標準データに対して大きくずれておれば、計測制御部９はレーザー光源１に何らかの異常があると判断し、装置外部に警告を発する。
【００４６】
差分器６の演算結果Ｓ７（ζ，η）と、比較器８の比較結果Ｓ８を受けた計測制御部９は、補助照明光源２を点灯・消灯したり、安定度モニタ用マークＭＭ  や参照マークＭＲ  を計測する頻度を増減する。
【００４７】
図５〜図８は実施例１の動作を表すフローチャートである。
【００４８】
図５は本装置を起動してから半導体基板の第１ショットについて計測を始めるまでのフローチャートである。先ず処理１０で本実施例の装置の電源を投入すると、処理１１で装置各部の初期化処理を行う。例えば電子回路の動作モードセット等の電気的初期化処理や、位置合わせ機構の原点出し等の機械的処理が行われる。次に処理１２では、二周波レーザー光源１が定常状態になるまで待つ。一般に市販の二周波レーザーには定常状態を確認できる表示器や信号出力を備えているので、確認は容易である。
【００４９】
二周波レーザー光源１はウォーミングアップが終われば、おおむね安定状態になる。しかし、前記のように出射光の方向変動については、ドリフト性変動と振動性変動の両方が、ウォーミングアップ後も存在する。一般的には、ドリフト性変動は、数時間経過すれば殆ど無くなるが、この間に半導体基板上のビームスポット位置が移動する。この結果装置起動後の数時間はドリフト性変動によりマーク位置合わせの際にビームスポットが所定の位置からずれて照射されるため、所定の位置を観測している観察画像に照明ムラが発生し、位置合わせ確認や追い込みが出来なくなる。
【００５０】
しかし、本実施例ではドリフト性変動が収まっていない状態でも位置合わせ確認や追い込みを可能としている。
【００５１】
先ず処理１３で半導体基板１１を半導体基板支持部１０にセットする。
【００５２】
次に実施例１の装置は処理１４で補助照明光源２を点灯する。これはレーザー光源１にドリフト性変動が残っており、レーザー光がマークの部分を偏芯して照明している場合でも、補助照明光源２によってマークを均一に照明し、マークの位置合わせや追い込みを確実に行えるようにする為である。次に処理１５で安定度モニタ用マークＭＭ  を計測位置に位置合わせして、処理１６で位置ずれ計測に不要な補助照明光源２を消灯して、処理１７で安定度モニタ用マークＭＭ  の１回目の測定を行う。
【００５３】
次に処理１８から処理２１まででもう１度安定度モニタ用マークＭＭ  を計測する。
【００５４】
以上の２回の安定度モニタ用マークＭＭ  の測定によってこのマークの計測値の変化率を求められることになった。
【００５５】
これから半導体基板１１上の各ショットの重ね合わせ誤差の計測がスタートする。先ず処理２２においてｊ＝０とセットして、処理２３に進む。ここでは全ショットの計測が終わったか否かの判断であるが、当然ＮＯであり、処理は２４へ進みｊを１増やして第１ショットの計測に進む。処理２５では最近の２つの時刻ｔ１とｔ２の安定度モニタ用マークＭＭ  の測定値を用い、変化率ζ、ηを計算する。
【００５６】
処理２６において変化率ζ、ηの値によってＡ１〜Ａ４に分岐する。すなわち変化率ζ、ηの値を４つの領域に分けており、変化率が最も大きい領域にあればフローはＡ１に分岐し、変化率ζ、ηの値がその次の領域にあればフローはＡ２に分岐し、以下Ａ３，Ａ４  へと分岐する。
【００５７】
今の場合、変化率ζ、ηの値が最も大きい領域にあったとしてフローがＡ１に進んだとする。この場合は図６に示す様に第ｊショットのずれ計測に際して、毎回補助照明光源２を点灯してマークを照明し、又毎回のずれ計測の前に安定度モニタ用マークＭＭ  及び参照マークＭＲ  の計測を行う。
【００５８】
このフローを説明する。処理１０１において補助照明光源２を点灯する。これはレーザー光源１のドリフト性変動が飽和していない段階ではレーザー光源１のビームスポットが測定マークの中心から偏心しており、これが為にレーザー光の照明によって観察画像を取り込もうとすれば画像の一部が欠けたりして、位置合わせや追い込みが出来なくなるので、補助照明光源２によって測定マークを照明し、位置合わせや追い込みを確実にするためである。次いで処理１０２で安定度モニタ用マークＭＭ  を計測位置に位置合わせして、処理１０３で計測に不要な補助照明光源２を消灯して、処理１０４で安定度モニタ用マークＭＭ  を計測して計測値△ＸＭ，ｔ  、△ＹＭ，ｔ  を得る。
【００５９】
次に処理１０５から処理１０８までは参照マークＭＲ  について同じ処理を繰り返し、見かけのずれ値△ＸＲ  ，△ＹＲ  を得る。
【００６０】
次に処理１０９から処理１１２までは計測マークＭｉ−１，ｊ  ，Ｍｉ，ｊ  について同じ処理を繰り返し、見かけの計測値△ｘｉ，ｊ  ，△ｙｉ，ｊ  を得る。そして処理１１３において（１）、（２）の演算を行い、ずれ計測値△Ｘｉ，ｊ  ，△Ｙｉ，ｊ  を得て、第１ショットの計測を終わる。そして図５のフローのＢ  点に移り、ジョブ終了の判断及び次測定の為の変化率の計算、分岐へと進む。
【００６１】
Ａ１のフローはレーザー光源１のドリフト性変動が激しい場合、毎回安定度モニタ用マークＭＭ  及び参照マークＭＲ  の測定を行い、１個のショットのずれ計測を行う度に変化率ζ、ηをこまめにチェックし、参照マークＭＲ  の見かけのずれ値△ＸＲ  ，△ＹＲ  も毎回計測していることを示している。
【００６２】
もし変化率ζ、ηが２番目に大きい領域にあれば、フローはＡ２へ分岐する。図７のＡ２のフローについて説明する。この場合は変化率ζ、ηがある程度小さくなっていて二周波レーザー光源１の出射方向のドリフト性変動が略飽和して、レーザー光がマーク部分を確実に照明しているので補助照明光源２が不要になっている。そこで図７に示す様に補助照明２は使用せず、基本的に１回の安定度モニタ用マークＭＭ  及び参照マークＭＲ  の測定を行って、２個のショットのずれ測定を行う。
【００６３】
処理２０１と２０２では安定度モニタ用マークＭＭ  の測定をする。前記のＡ１のフローとの違いは、補助照明光源２を点灯していない点である。
【００６４】
次に処理２０３と２０４とで参照マークＭＲ  の測定を行い見かけのずれ値△ＸＲ  ，△ＹＲ  を得る。
【００６５】
そして、処理２０５と２０６とで第ｊショットの重ね合わせ誤差の測定を行う。即ち計測マークＭｉ−１，ｊ  ，Ｍｉ，ｊ  について位置合わせ、測定を行いみかけの計測値△ｘｉ，ｊ  ，△ｙｉ，ｊ  を得る。そして処理２０７において（１）、（２）の演算を行いずれ計測値△Ｘｉ，ｊ  ，△Ｙｉ，ｊ  を得て、第ｊショットの計測を終わる。
【００６６】
次に判断２０８において全ショットの計測が終わったか否かの判断を行い、計測ジョブの終了又は継続へ別れる。
【００６７】
継続する場合は処理２０９へ進む。ここではｊを１進め、処理２１０と２１１で第ｊショットのずれの測定を行う。即ち計測マークＭｉ−１，ｊ  ，Ｍｉ，ｊ  について位置合わせ、測定を行い見かけの計測値△ｘｉ，ｊ  ，△ｙｉ，ｊ  を得る。そして処理２１２において（１）、（２）の演算を行いずれ計測値△Ｘｉ，ｊ  ，△Ｙｉ，ｊ  を得て、第ｊショットの計測を終わる。そして図５のフローのＢ  点に移り、ジョブ終了の判断及び次測定の為の変化率の計算、分岐へと進む。
【００６８】
以上の様にＡ２のフローではドリフト性変動が略飽和しているので、補助照明光源２も点灯せず、１回の安定度モニタ用マークＭＭ  及び参照マークＭＲ  の測定で２ショットのずれ測定を行っているので、Ａ１のフローを採る場合よりもスループットが向上する。
【００６９】
もし変化率ζ、ηが３番目に大きい領域にあれば、フローはＡ３へ分岐する。図８のＡ３のフローについて説明する。この場合はＡ２のフローと似ているが、Ａ２の場合よりもレーザーのドリフト性変動が更に飽和しているので基本的に１回の安定度モニタ用マークＭＭ  及び参照マークＭＲ  の測定を行って、３個のショットのずれ測定を行っている。
【００７０】
従ってＡ２の場合よりも更にスループットが向上する。
【００７１】
Ａ４のフローについては説明を省くが、更にドリフト性変動が飽和しているので、１回の安定度モニタ用マークＭＭ  及び参照マークＭＲ  の測定によって４ショット或はそれ以上の数のショットの測定を行うフローにすれば良い。
【００７２】
図１０〜図１３は本発明の実施例２の説明図である。本実施例は、位置ずれ計測装置を半導体素子製造装置に適用して、重ね合わせ精度の測定を行うものである。図１０は本実施例の光学系概略図、図１１は照射光と計測マークの配置を示す図、図１２はウエハ上の測定を行うマークの配置を示す図であり、図１３は、温度変化と位相差検出器の出力の関係を示す図である。
【００７３】
図１２は、ウエハ上に配置されている実際に測定を行うマークの配置の一部を示した図である。重ね合わせ精度の測定は、図１１に示すように相対位置ずれ量が既知の２つの回折格子対からなる参照マーク４８，４９について測定を行い、得られる測定値を基準値とし、次に第ｉレイヤと第ｉ−１レイヤのずれ量を計測する計測マーク５０，５１に対して測定を行い、得られる測定値をずれ量測定値としている。そして、ずれ量測定値から基準値を比較することにより、測定光学系の固有収差あるいはウエハの面内回転による測定誤差が除去された真のずれ量測定値を得ることができる。通常、参照マーク４８，４９に対し１回の測定を行い、得られる基準値を演算器６４に蓄積した後、ウエハ１１上の複数の位置に配置された計測マークを順次計測し、これらの計測値と基準値を比較することにより、ウエハ上の各計測マーク位置での真のずれ量測定値を得る。
【００７４】
図１０，図１１を用いて測定の原理及び流れを説明する。
【００７５】
図１０において、二周波レーザー光源１からは、同じ光軸上にあって偏光面が互いに直交し、わずかに周波数が異なる２つの光４２，４３が発せられる。ここで光４２は  ｐ偏光の光、光４３は  ｓ偏光の光とする。光４２の複素振幅をＥ１  、  光４３の複素振幅をＥ２  とすると、複素振幅Ｅ１  ，Ｅ２  は次の式で表される。
【００７６】
Ｅ１  ＝  Ａ  ｅｘｐ｛  ｉ  ω１  ｔ  ｝      ・・・・・・（１０）
Ｅ２  ＝  Ｂ  ｅｘｐ｛  ｉ  ω２  ｔ  ｝      ・・・・・・（１１）
ここで  Ａ，Ｂは振幅、ω１  ，ω２  は角周波数である。２つの光４２，４３はミラー４４により偏向され、レンズ４５を通過して、偏光ビームスプリッタ４６（以下ＰＢＳ４６）に入射する。ＰＢＳ４６に入射した２つの光はビームスプリット面で偏光方向の違いにより、２つの方向に分割される。ＰＢＳ４６のビームスプリット面を透過した  ｐ偏光の光４２はミラー４７で偏向され、ウエハ１１上の参照マーク４８，４９、計測マーク５０，５１を照射する。
【００７７】
一方、ＰＢＳ４６のビームスプリット面で反射した  ｓ偏光の光４３はミラー５２で偏向され、同様にウエハ１１上の参照マーク４８，４９、計測マーク５０，５１を照射する。
【００７８】
図１１のように、光４２，４３は計測マーク５０，５１で反射回折され、光４２については−１次の回折光５３，５４、光４３については＋１次の回折光５５，５６が図１０のミラー５７以下の検出系に入射する。これらの回折光のうち、回折光５３，５５はウエハ上の計測マーク５０から得られる光、回折光５４，５６はウエハ上の計測マーク５１から得られる光である。４つの回折光５３，５４，５５，５６の複素振幅を式で表すと以下のようになる。
【００７９】
Ｅ３  ＝  Ａ１・ｅｘｐ｛  ｉ（  ω１  ｔ  −φａ）｝    ・・・・・・（１２）
Ｅ４  ＝  Ａ２・ｅｘｐ｛  ｉ（  ω１  ｔ  −φｂ）｝      ・・・・・・（１３）
Ｅ５  ＝  Ｂ１・ｅｘｐ｛  ｉ（  ω２  ｔ  ＋φａ）｝    ・・・・・・（１４）
Ｅ６  ＝  Ｂ２・ｅｘｐ｛  ｉ（  ω２  ｔ  ＋φｂ）｝    ・・・・・・（１５）
ここでＥ３  は回折光５３、Ｅ４  は回折光５４、Ｅ５  は回折光５５、Ｅ６  は回折光５６に対応する。また  Ａ１  ，Ａ２  ，Ｂ１  ，Ｂ２  は各回折光の振幅、φａ  ，φｂ  は計測マーク５０，５１の基準位置からのずれ量  ｘａ  ，  ｘｂに相当する位相量で、
φａ  ＝  ２π・ｘａ／  ｐ    ・・・・・・（１６）
φｂ  ＝  ２π・ｘｂ／  ｐ      ・・・・・・（１７）
である。
【００８０】
図１０で４つの回折光５３〜５６はミラー５７により偏向され、レンズ５８を通過して偏光板５９で偏光面が揃えられた後、回折光はレンズ５８に関して計測マーク５０，５１と共役位置に設置したエッジミラー６０により、計測マーク５０からの回折光５３，５５と、計測マーク５１からの回折光５４，５６に分離される。エッジミラー６０を透過した回折光５３，５５はレンズ６１により光検出器６２に結像され、光電変換される。
【００８１】
同様に、エッジミラー６０を反射した回折光５４，５６はレンズ６３により光検出器６４に結像され、光電変換される。光検出器６２から得られるビート信号Ｉ１  及び光検出器６４から得られるビート信号Ｉ２  を式で表すと
Ｉ１  ＝  Ａ１２＋  Ｂ１２＋２Ａ１Ｂ１ｃｏｓ｛２π（  ω２  −ω１）ｔ  ＋  ２φａ｝  ・・・・（１８）
Ｉ２  ＝  Ａ２２＋  Ｂ２２＋２Ａ２Ｂ２ｃｏｓ｛２π（  ω２  −ω１）ｔ  ＋  ２φｂ｝  ・・・・（１９）
となる。
【００８２】
Ａ１２＋  Ｂ１２  ，  Ａ２２＋  Ｂ２２は直流成分、２Ａ１Ｂ１  ，  ２Ａ２Ｂ２  は振幅である。ビート信号Ｉ１  ，  Ｉ２の位相差Δφを位相差検出器６５により求めると
Δφ＝  ２  （φａ  −φｂ）    ・・・・・・（２０）
となり、Δφより計測マーク５０，５１の光ヘテロダイン検出手段による相対位置ずれ量  ｘ２  は、
ｘ２＝  ｘｂ  −ｘａ＝  ｐΔφ／４π      ・・・・・・（２１）
として求めることができる。
【００８３】
以上に説明した測定の原理及び測定の流れは計測マークについて述べたが、参照マークについての測定の原理及び測定の流れも同様である。
【００８４】
いまここで、本実施例で述べている重ね合わせ精度測定機が置かれている雰囲気中の温度が時間と共に変化すれば、それに応じて位相差検出器６５の出力が変化する。しかし、雰囲気中の温度変化により位相差検出器６５の出力が変化すれば、参照マーク４８，４９を測定した時刻と計測マーク５０，５１を測定した時刻の間隔が長くなれば、基準値とずれ量測定値を比較して得られる真のずれ量測定値は不確かな値となる。ここで、雰囲気中の温度変化を温度測定機６７でモニタし、演算器６６で単位時間当りの温度変化率を求め、予め演算器６６に蓄積された単位時間当りの温度変化率と位相差検出器の出力値の変化率を比較し、参照マークの測定頻度を決定する。そして演算器６６よりウエハステージ６８に対して参照マークの測定時に、参照マークが測定位置にセットされるようにウエハステージ６８の移動命令を出す。例えば、図１３に示すように重ね合わせ精度測定機が置かれている雰囲気中の温度が時間と共に変化したとする。領域１の区間は温度変化率が大きく、それに連れて位相差検出器６５の出力も変化している。この様な場合はその温度変化率に応じて参照マーク４８，４９の測定を増やすようにし、領域２のように雰囲気中の温度が安定しているときは参照マーク４８，４９の測定回数を少なくすれば高精度かつ効率の良い測定が可能となる。
【００８５】
ここで、計測マークを何個測定する毎に参照マークを測定するかという参照マークの測定頻度ｍは次のような計算で決定される。１マーク当りの測定時間をｔ、単位時間当りの位相差検出器の温度変化による出力値の変化率をｃ、目標測定精度をａとすると、
０＜ｍ＜ａ／（ｔ×ｃ）      （ｍは整数）
となる。
【００８６】
または、参照マークを何時間毎に測定する頻度Ｔ（時間）は、
Ｔ≦ａ／ｃ
となる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、位置ずれ計測装置上に相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される安定度モニタ用マークを設け、又半導体基板上にも相対的ずれ量が既知の２つの回折格子より構成される参照マークを設け、安定度モニタ用マークの計測値で光源の安定度をモニタすることにより、適切な頻度で安定度モニタ用マークの計測及び参照マークの見かけのずれ値をチェックし、目的の計測マークの見かけの計測値から参照マークの見かけのずれ値を補正することによって、レーザー光源中に僅かのドリフト性変動がある場合でも、常に精度の高い、安定したずれ計測値の得られる位置ずれ計測方法及びそれを用いた位置ずれ計測装置を達成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の概略構成図
【図２】安定度モニタ用マーク、参照マーク、計測マークの形状説明図
【図３】図１の基板支持部に載置された半導体基板の斜視図
【図４】図１の計測マーク説明図
【図５】実施例１の動作フローチャート１
【図６】実施例１の動作フローチャート２
【図７】実施例１の動作フローチャート３
【図８】実施例１の動作フローチャート４
【図９】実施例１の安定度モニタ用マークの計測値の経時特性
【図１０】本発明の実施例２の概略構成図
【図１１】図１０の一部分の説明図
【図１２】図１０の一部分の説明図
【図１３】重ね合わせ精度測定機の雰囲気中の温度と時間変化との説明図
【符号の説明】
１  二周波レーザー光源
２  補助照明光源
３  第１の照射手段
４  信号処理系
５  計測値記憶部
６  差分器
７  標準値記憶部
８  比較器
９  計測制御部
１０  半導体基板支持部
１１  半導体基板
１２  画像入力手段
１３  第２の照射手段
１４  受光光学系
１５  レーザー光
１６  補助照明光
３０  レーザー光の照射光
３１  回折光
３３  位置合わせ機構
３４  観察画像蓄積部
４０  補助光の照射光
４１  補助光の反射光
ＭＭ    安定度モニタ用マーク
ＭＲ    参照マーク
Ｍｉ，ｊ  アライメントマーク
Ｍｉ−１，ｊ  、Ｍｉ，ｊ    計測マーク
Ｓ１  ビート信号
Ｓ２  計測値
Ｓ３  記憶部から読み出された時刻ｔ１における安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値（△ＸＭ，ｔ１，△ＹＭ，ｔ１）
Ｓ４  記憶部から読み出された時刻ｔ２における安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値（△ＸＭ，ｔ２，△ＹＭ，ｔ２）
Ｓ５  記憶部から読み出された最近の安定度モニタ用マークＭＭ  の計測値（△ＸＭ，ｔ  ，△ＹＭ，ｔ  ）
Ｓ６  標準値記憶部から読み出された安定度モニタ用マークＭＭ  の標準データ（△ＸＭ，Ｔ  ，△ＹＭ，Ｔ  ）
Ｓ７  差分器の演算結果
Ｓ８  比較器の比較結果
Ｓ９  計測値記憶部の動作を制御する制御信号
Ｓ１０  標準値記憶部の制御信号
Ｓ１１  観察画像蓄積部の制御信号
Ｓ１２  位置合わせ機構の制御信号
Ｓ１３  計測ビームが照射されている付近の画像信号
Ｓ１４  補助照明光源の制御信号
【図１】
0003548298.tif 000003
【図２】
0003548298.tif 000004
【図３】
0003548298.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003548298.tif 000013
【図１２】
0003548298.tif 000014
【図１３】
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