(57)【要約】【課題】被処理基板の全ての領域に、マスクをダイバイダイアライメント方式でアライメントすることができ、高精度なアライメントおよびパターン転写を実現することができる露光装置および露光方法、並びに当該露光装置および露光方法に使用するマスクおよび半導体装置を提供する。【解決手段】マスクＭの各相補露光領域にアライメント用のマスクマークＭＭが形成されている。マスクマークＭＭは、ｘ方向およびｙ方向に繰り返し配列されたパターンＰを含み、ｘ方向あるいはｙ方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るようにパターンＰの間隔が不規則に規定されている。また、ウエハＷ側には、マスクマークＭＭを挟むように２つのウエハマークＷＭが配置されており、各ウエハマークＷＭは、マスクマークＭＭと同様のパターン配列をもつ。【選択図】図８
2006165377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基板マークを備える被処理基板と、
前記被処理基板に対向配置され、複数のマスクマークを備えるマスクと、
前記マスクに荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射手段と、
前記荷電粒子線照射手段の光軸に対して傾いた方向から前記基板マークおよび前記マスクマークを観察する観察手段と、
前記被処理基板と前記マスクとの間の間隔を検出する間隔検出手段と、
前記観察手段による観察結果と、前記間隔検出手段により検出された前記間隔に基づいて、前記被処理基板と前記マスクの相対位置を算出する制御手段と、
前記制御手段により算出された前記相対位置に基づいて、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に、前記マスクあるいは前記被処理基板を移動させるステージとを有し、
前記基板マークおよび前記マスクマークは、前記第１軸方向および前記第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように、前記パターンの間隔が不規則に規定された
露光装置。
【請求項２】
前記マスクは、被処理基板に対して重ねて露光するための複数の相補露光領域を備え、各相補露光領域に前記マスクマークが配置された
請求項１記載の露光装置。
【請求項３】
複数の基板マークをもつ被処理基板に対して、複数のマスクマークをもつマスクを対向配置させた状態で、前記被処理基板と前記マスクの相対位置を変えて繰り返し露光する露光方法であって、
前記基板マークおよび前記マスクマークは、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように、前記パターンの間隔が不規則に規定されており、
複数の前記マスクマークに対応する全ての基板マークが存在する被処理基板の中央領域の露光において、各マスクマークと各基板マークとの相対位置に基づいて、前記マスクと前記被処理基板のアライメントを行い、
前記マスクマークに対応する前記基板マークが１つしか存在しない被処理基板の外周領域の露光において、１組の前記基板マークおよび前記マスクマークから第１軸方向および第２軸方向の双方の相対位置を検出して、前記マスクと前記被処理基板のアライメントを行う
露光方法。
【請求項４】
前記マスクとして、被処理基板に対して重ねて露光するための複数の相補露光領域を備え、各相補露光領域に前記マスクマークが配置されたマスクを用いる
請求項３記載の露光方法。
【請求項５】
前記被処理基板の外周領域の露光において、前記マスクと前記被処理基板の回転誤差および倍率誤差については、当該露光位置に最も近い前記被処理基板の中央領域の露光において検出された値を用いる
請求項３記載の露光方法。
【請求項６】
複数の相補露光領域を備え、被処理基板に対して各相補露光領域を重ねて露光することによりパターンを転写するマスクであって、
各相補露光領域はアライメント用のマスクマークを備え、
前記マスクマークは、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように前記パターンの間隔が不規則に規定された
マスク。
【請求項７】
前記マスクマークは、前記第１軸方向あるいは第２軸方向のいずれかにおいて、前記マーク中心位置の中心パターンと、当該中心パターンに隣接するパターンとの間隔が、他の位置におけるパターン配列間隔に比べて大きく設定された
請求項６記載のマスク。
【請求項８】
アライメント用の基板マークが形成された半導体装置であって、
前記基板マークは、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように前記パターンの間隔が不規則に規定された
半導体装置。
【請求項９】
前記基板マークは、前記第１軸方向あるいは第２軸方向のいずれかにおいて、前記マーク中心位置の中心パターンと、当該中心パターンに隣接するパターンとの間隔が、他の位置におけるパターン配列間隔に比べて大きく設定された
請求項８記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、相補露光技術に使用される露光装置および露光方法、並びに当該露光に用いるマスク、並びに当該マスクによりパターンが形成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子製造のためのリソグラフィ工程では、各層の異なるパターン同士を正確に重ね合わせる必要があるため、光学的なアライメント計測技術が用いられている。
【０００３】
ＬＥＥＰＬ（low energy electron beam proximity projection lithography)露光機におけるアライメント方式は、Ｘ線リソグラフィ用に開発されたアライメントカメラを斜めに傾けてマーク像を検出する斜方結像方式が採用され、マスクのマスクマークとウエハのウエハマークを同時に検出し、その相対位置およびマスクとウエハ間のギャップを計測することができる（特許文献１参照）。
【０００４】
斜方結像方式では、アライメントマークとして２次元配列パターンを用い、パターンエッジからの後方散乱光を光学的に拡大した像から、マスクマークとウエハマークの相対位置を計測する。エッジ散乱光の照明として白色光を用いることにより、薄膜の変化に対する高い適応性を実現することができるという優れた特徴をもつ。
【特許文献１】特許第３１０１５８２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本来、斜方結像方式でのアライメント顕微鏡単体は、観測方向に対し直交する１方向の位置検出に使用されているため、周辺のチップへの転写においてウエハ側に対応するアライメントマーク（ウエハマーク）が１つしか観測されない場合は、１方向のみしか位置検出できない。
【０００６】
このため、２分割以上された相補分割マスクの４隅を使ってアライメントを実行する際、ウエハ外周領域の露光では、全てのマスクマークに対応するウエハマークが存在しない為アライメント計測が実行できず、未露光となり歩留まり低下の問題が生じている。尚、ショットサイズが大きくなるほど歩留まりは低下する為、デバイス適用に向けては重要な課題となる。
【０００７】
また、縮小投影型露光装置で現在主流となっている高スループット位置合わせ方式であるグローバルアライメントはＬＥＥＰＬ露光機においても採用可能であるが、ウエハ全体を平均化してアライメント係数を算出するため、下地ウエハの高次の歪みは補正できないという欠点がある。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被処理基板の全ての領域に、マスクをダイバイダイアライメント方式でアライメントすることができ、高精度なアライメントおよびパターン転写を実現することができる露光装置および露光方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、斜めから観察する場合においても、２次元位置を検出することが可能なマスクマークをもつマスクを提供することにある。
本発明の他の目的は、斜めから観察する場合においても、２次元位置を検出することが可能な基板マークをもつ半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明の露光装置は、複数の基板マークを備える被処理基板と、前記被処理基板に対向配置され、複数のマスクマークを備えるマスクと、前記マスクに荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射手段と、前記荷電粒子線照射手段の光軸に対して傾いた方向から前記基板マークおよび前記マスクマークを観察する観察手段と、前記被処理基板と前記マスクとの間の間隔を検出する間隔検出手段と、前記観察手段による観察結果と、前記間隔検出手段により検出された前記間隔に基づいて、前記被処理基板と前記マスクの相対位置を算出する制御手段と、前記制御手段により算出された前記相対位置に基づいて、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に、前記マスクあるいは前記被処理基板を移動させるステージとを有し、前記基板マークおよび前記マスクマークは、前記第１軸方向および前記第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように、前記パターンの間隔が不規則に規定されたものである。
【００１１】
上記の本発明の露光装置では、例えば、観察手段により、パターンの間隔が不規則に規定された方向から基板マークおよびマスクマークが観察される。観察方向と交差する方向では、観察手段により観察されたマーク位置に基づいて被処理基板とマスクとの位置ずれが検出される。観察方向については、観察手段により観察されたマーク相対位置と、間隔検出手段により検出された間隔に基づいて、制御手段により、被処理基板とマスクとの位置ずれが検出される。
第１軸方向および第２軸方向のずれ量が算出されると、制御手段によりステージが制御されて、マスクと被処理基板が適切な位置にアライメントされる。アライメント後、荷電粒子線がマスクに照射されて、マスク内の回路パターンが被処理基板に転写される。
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明の露光方法は、複数の基板マークをもつ被処理基板に対して、複数のマスクマークをもつマスクを対向配置させた状態で、前記被処理基板と前記マスクの相対位置を変えて繰り返し露光する露光方法であって、前記基板マークおよび前記マスクマークは、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように、前記パターンの間隔が不規則に規定されており、複数の前記マスクマークに対応する全ての基板マークが存在する被処理基板の中央領域の露光において、各マスクマークと各基板マークとの相対位置に基づいて、前記マスクと前記被処理基板のアライメントを行い、前記マスクマークに対応する前記基板マークが１つしか存在しない被処理基板の外周領域の露光において、１組の前記基板マークおよび前記マスクマークから第１軸方向および第２軸方向の双方の相対位置を検出して、前記マスクと前記被処理基板のアライメントを行うものである。
【００１３】
上記の本発明の露光方法では、基板マークおよびマスクマークが、第１軸方向あるいは第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように、パターンの間隔が不規則に規定されていることから、不規則に規定された方向に沿ってマークを観察することにより、マークの第１軸方向および第２軸方向の位置が検出される。
複数のマスクマークに対応する全ての基板マークが存在する被処理基板の中央領域の露光では、一組のマスクマークと基板マークからは第１軸方向あるいは第２軸方向の位置のみを検出する。全てのマーク位置検出結果を組み合わせることにより、マスクと被処理基板の第１軸方向および第２軸方向の位置誤差が求まる。従って、この位置誤差を解消するように、マスクあるいは被処理基板のアライメントを行って、露光処理が施される。
マスクマークに対応する基板マークが１つしか存在しない被処理基板の外周領域の露光では、１組の基板マークおよびマスクマークから第１軸方向および第２軸方向の双方の相対位置を検出する。そして、この位置誤差を解消するように、マスクあるいは被処理基板のアライメントを行って、露光処理が施される。
マスクマークに対応する基板マークが２つ以上あるが、全てはない場合には、上記の２種類の方法を組み合わせることにより、アライメントがなされる。
【００１４】
上記の目的を達成するため、本発明のマスクは、複数の相補露光領域を備え、被処理基板に対して各相補露光領域を重ねて露光することによりパターンを転写するマスクであって、各相補露光領域はアライメント用のマスクマークを備え、前記マスクマークは、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように前記パターンの間隔が不規則に規定されたものである。
【００１５】
上記の本発明のマスクでは、例えば、パターンの間隔が不規則に規定された方向からマスクマークを観察することにより、観測方向およびこれに交差する方向のマーク検出が可能となる。従って、１つのマスクマークのみを用いて被処理基板とマスクとのアライメントが可能となる。
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、アライメント用の基板マークが形成された半導体装置であって、前記基板マークは、第１軸方向および当該第１軸方向と交差する第２軸方向に繰り返し配列されたパターンを含み、前記第１軸方向あるいは前記第２軸方向のいずれかにおいて、マーク中心位置を検出し得るように前記パターンの間隔が不規則に規定されたものである。
【００１７】
上記の本発明の半導体装置は、１つの被処理基板から複数のものが作製されたものである。被処理基板に含まれる各半導体装置に、上記の基板マークが形成されていると、例えば、パターンの間隔が不規則に規定された方向から基板マークを観察することにより、観測方向およびこれに交差する方向のマーク検出が可能となる。従って、１つの基板マークのみを用いて被処理基板とマスクとのアライメントが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の露光装置および露光方法によれば、被処理基板の全ての領域に、マスクをダイバイダイアライメント方式でアライメントすることができ、高精度なアライメントおよびパターン転写を実現することができる。
本発明のマスクによれば、１つのマスクマークを用いて２次元位置を検出することができることから、高精度なアライメントの実現に寄与することができる。
本発明の半導体装置によれば、１つの基板マークを用いて２次元位置を検出することができることから、高精度なアライメントの実現に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、一例としてＬＥＥＰＬに使用されるマスクおよび露光方法について説明するが、これに限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
図１に示す露光装置は、露光光として電子ビームＥＢを出射する電子銃１を備えており、この電子銃１から出射された電子ビームＥＢの経路を法線とする状態で、マスクＭが配置され、このマスクＭとの間に間隔を保って、ステージ１０にウエハ（被処理基板）Ｗが配置されている。ステージ１０は、ウエハＷをｘｙｚ方向に移動させかつθ（回転角）だけ回転させる。ウエハＷの表面とマスクＭの表面との間に約５０μｍの間隔が設けられるようにウエハＷが配置される。
【００２１】
電子銃１とマスクＭとの間には、電子ビームＥＢの経路を囲む状態で、電子銃１側から順に、電子ビームＥＢを制限するアパーチャ２と、電子ビームＥＢを平行化するコンデンサレンズ３と、ラスターまたはベクトル走査モードの何れかで且つマスクＭに垂直に入射するように電子ビームＥＢを偏向させる一対の主偏向器４ａ，４ｂと、電子ビームの照射位置の微調整を行うために電子ビームを偏向させる一対の副偏向器５ａ，５ｂとを有する。
【００２２】
マスクＭの斜め上方には、マスクＭのマスクマークおよびウエハＷのウエハマークを観察するためのアライメントカメラ６が設置されている。アライメントカメラ６は、アライメント光として白色光を用い、マークからの散乱光を検出し、マスクマークとウエハマーク（基板マーク）の相対位置を計測する。アライメントカメラ６は、後述するように、ｘ方向のアライメントおよびｙ方向のアライメントを精度良く行うため、４台設置されている。
【００２３】
間隔検出手段７は、例えば静電容量センサにより構成され、マスクＭとウエハＷの間隔を検出する。間隔検出手段７による検出値は、制御部８に出力される。
【００２４】
制御部８は、アライメントカメラ６、間隔検出手段７、主偏向器４ａ，４ｂ、副偏向器５ａ，５ｂ等に接続されており、露光装置の全体の動作を制御する。制御部８は、後述するように、アライメントカメラ６からの観察画像と、間隔検出手段７により検出された間隔に基づいてマスクＭとウエハＷの相対位置を計測し、マスクＭに対してウエハＷが適切な位置にくるようステージ駆動部９に制御信号を出力する。
【００２５】
ステージ駆動部９は、制御部８に接続されており、制御部８からの制御信号に基づいて、ステージ１０の位置を制御し、ウエハＷとマスクＭとの相対位置を調整する。
【００２６】
以上のような構成の露光装置を用いて露光を行う場合には、まず、ステージ１０上に、表面にレジストＲを塗布してなるウエハＷを載置する。次に、電子銃１から出射された電子ビームＥＢを、アパーチャ２、コンデンサレンズ３で成形しつつ、上述した偏向器４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂにより、マスクＭへの電子ビームＥＢの照射位置を調整する。そして、このマスクＭのパターンを通過した電子ビームが、ウエハＷ表面のレジストＲに照射されることにより、レジストＲに対してパターン露光が行われる。
【００２７】
図２（ａ）は、マスクＭの一例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、マスクＭの要部断面図である。
【００２８】
本実施形態に係るマスクＭは、図中点線で区分けした右上の第１の相補露光領域１１と、図中点線で区分けした左上の第２の相補露光領域１２と、図中点線で区分けした左下の第３の相補露光領域１３と、図中点線で区分けした右下の第４の相補露光領域１４の４つの相補露光領域を有する。ウエハＷに転写すべき回路パターンは、各相補露光領域１１〜１４に分割して形成され、各相補露光領域１１〜１４をウエハＷの同じ位置に露光する（相補露光）ことにより、ウエハＷに回路パターンが転写される。本実施形態では、４つの相補露光領域１１〜１４の全体の領域を露光領域と称する。
【００２９】
各相補露光領域１１〜１４は、パターン形成膜２１と、パターン形成膜２１の強度を補強するための補強部２２とを有する。パターン形成膜２１は、３００ｎｍ〜２μｍの厚さのＳｉ、ＳｉＣ、ダイアモンド等により形成される。図２（ｂ）の断面図に示すように、パターン形成膜２１には、パターン形成膜２１を貫通する貫通孔２３によりマスクパターンが形成される。基板２０および補強部２２の厚さは、例えば７００μｍ程度である。
【００３０】
等倍近接露光では、ウエハＷに転写すべき回路パターンと等倍のマスクパターンが各相補露光領域１１〜１４のパターン形成膜２１に形成される。補強部２２の位置には、マスクパターンを配置できず、この結果、補強部２２に対応する位置には、ウエハＷにパターンを転写できない。従って、各相補露光領域１１〜１４を重ねた際に補強部２２の位置がずれるように、補強部２２が配置されている。
【００３１】
このように補強部２２を配置することにより、チップＣｈの全ての位置に、相補露光が可能なように構成される。相補露光とは、１つの層の回路パターンを複数の相補露光領域に分割し、相補露光領域を重ねて露光することにより、一つの回路パターンをウエハＷに転写することを称する。
【００３２】
図３は、４つの相補露光領域１１〜１４を含む露光領域の平面図である。
【００３３】
図３に示すように、各相補露光領域１１〜１４に、４つのマスクマークＭＭが形成されている。ウエハＷの中央領域における露光では、１つのマスクマークＭＭはｘ方向あるいはｙ方向のいずれかの相対位置の検出に用いられる。なお、各相補露光領域１１〜１４に、１つのマスクマークが配置されていれば、これらの配置に限定はない。
【００３４】
マスクマークＭＭは、図示の簡略化のため矩形状に描いているが、後述するように、微細なパターンが２次元に配列されて構成されたものである。マスクマークを構成するパターンは、ウエハＷに転写するパターンと同様にパターン形成膜２１に貫通孔により形成しても、パターン形成膜２１を貫通しない溝により形成してもよい。
【００３５】
従来では、１つのウエハマークあるいはマスクマークからは、後述する理由により、ｘ方向あるいはｙ方向のいずれかの相対位置しか検出できなかったが、本実施形態では、マーク形状を工夫することにより、ウエハの外周領域の露光においては、マスクマークＭＭをｘ方向およびｙ方向の双方のアライメントに使用する構成となっている。
【００３６】
図４は、アライメントカメラ６によるマスクＭとウエハＷのアライメントを説明するための図である。
【００３７】
各アライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２，６ｙ１，６ｙ２は、通常、観察方向とは直交する方向のマーク位置を検出する。すなわち、ｘ方向（第１軸方向）から斜めにマスクマークＭＭとウエハマークＷＭを観察するアライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２は、ｙ方向のマーク位置を検出する。ｙ方向（第２軸方向）から斜めにマスクマークＭＭとウエハマークＷＭを観察するアライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２は、ｘ方向のマーク位置を検出する。
【００３８】
ただし、本実施形態では、例えばウエハＷの外周領域の露光であって、マスクマークＭＭに対応するウエハマークＷＭが１つしかない場合には、１つのアライメントカメラでｘ方向およびｙ方向の双方のマーク位置を検出する。
【００３９】
アライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２とアライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２とを区別する必要がない場合には、単にアライメントカメラ６と称する。上記したように、本実施形態では、アライメントカメラ６により、マスクマークＭＭとウエハマークＷＭとを斜め上方から観察する構成を採用する。マスク面の法線方向からマスクマークＭＭとウエハマークＷＭとを観察すると、アライメントカメラ６がマスクに重なってしまい、アライメント後にアライメントカメラ６を移動させる工程が必要となり、露光のスループットが低下するためである。
【００４０】
本実施形態では、ウエハＷの外周領域の露光において１つのアライメントカメラ６でｘ方向およびｙ方向におけるウエハＷとマスクＭの相対位置を検出できるように、ウエハＷ側に形成されたウエハマークＷＭと、マスクＭに形成されるマスクマークＭＭのパターン形状を工夫している。
【００４１】
図５（ａ）は、ウエハマークＷＭとマスクマークＭＭを示す平面図であり、図５（ｂ）は側面図である。なお、図５（ａ）では、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２によりｘ方向（図中、矢印で示す）から斜めに観察されるマーク形状を示している。
【００４２】
図５（ａ）に示すように、マスクマークＭＭは、ｘ方向およびｙ方向に繰り返し配列された矩形状のパターンｐを含む。パターンｐは、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２による観察方向と直交する方向（ｙ方向）に周期的に配列されている。また、パターンｐは、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２による観察方向（ｘ方向）に対しては、マーク中心位置を検出し得るようにパターンｐの間隔が不規則に規定されている。本実施形態では、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２の観察方向（ｘ方向）におけるマーク中心位置の中心パターンＰａと、当該中心パターンＰａに隣接するパターンＰｂとの間隔が、他の位置におけるパターン配列間隔に比べて大きく設定されている。なお、アライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２により観察されるマスクマークは、図５（ａ）に図示したマスクマークＭＭを９０度回転させた構成である。
【００４３】
ウエハマークＷＭは、アライメントカメラ６による観察方向と直交する方向（ｙ方向）において、１つのマスクマークＭＭを挟むように、２つ配置されている。各ウエハマークＷＭは、マスクマークＭＭと同様のパターン形状を有する。なお、アライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２により観察されるウエハマークは、図５（ａ）に図示したウエハマークＷＭを９０度回転させた構成である。
【００４４】
次に、アライメントカメラ６によるマーク位置の検出原理について説明する。
【００４５】
図５（ｂ）に示すように、アライメントカメラ６の光軸ＯＡは、マスクマークＭＭの主面の法線（ｚ軸）から角度αだけ傾いている。光軸ＯＡに沿ってマスクマークＭＭおよびウエハマークＷＭに入射した照明光は、矩形状の各パターンＰのエッジで散乱される。エッジ以外の領域に照射された光は、正反射して、アライメントカメラ６には入射しない。従って、アライメントカメラ６では、各パターンＰのエッジからの散乱光のみが検出される。
【００４６】
ここで、光軸ＯＡに対して垂直な平面が焦点面Ｆｓとなる。焦点面Ｆｓとは、光学系の焦点を含む面、すなわちピントの合っている面である。マスクマークＭＭおよびウエハマークＷＭの各パターンＰのエッジのうち、焦点面Ｆｓ上にあるエッジからの散乱光は合焦するが、焦点面Ｆｓから遠ざかるに従ってピントがぼける。従って、マスクマークＭＭおよびウエハマークＷＭの各パターンＰのエッジのうち、焦点面Ｆｓに最も近い位置にあるエッジからの散乱光による像が最も鮮明になり、焦点面Ｆｓから離れたエッジからの散乱光による像はぼける。
【００４７】
図５（ｂ）に示すように、焦点面Ｆｓは、光軸ＯＡと直交する方向に伸びている。従って、光軸ＯＡに直交する方向に配列したパターンＰの像は鮮明に観測されるが、光軸ＯＡに沿った方向に配列したパターンＰの像は、焦点面Ｆｓ上にあるパターンＰを除いてぼけてしまう。これが従来、１つのアライメントカメラ６では、光軸に直交する方向のマーク位置検出にのみ使用されていた理由である。
【００４８】
図６（ａ）は、従来のマスクマークＭＭ’とウエハマークＷＭ’のパターン形状を示す図である。上記のマスクマークＭＭ’とウエハマークＷＭ’をｙ方向から観察した場合において、ｘ方向に沿ったパターンＰからの検出信号を図６（ｂ）に示し、ｙ方向に沿ったパターンＰからの検出信号を図６（ｃ）に示す。
【００４９】
従来のマスクマークＭＭ’とウエハマークＷＭ’は、それぞれ２次元に周期的にパターンＰが配置されて構成されている。観察方向とは直交する方向に沿ったパターンＰの列は、上記した理由により、図６（ｂ）に示すように鮮明に観察される。このため、各マークの両端位置の中点をマーク中心位置として検出できる。しかしながら、観察方向に沿った方向のパターンＰの列は、図６（ｃ）に示すように、焦点面Ｆｓ上にあるパターンＰを除いて信号が弱くなる。このため、マスクマークＭＭ’とウエハマークＷＭ’の両端Ｅにおける信号が弱くなるため、マークの中心位置が検出できなかった。
【００５０】
図７（ａ）は、本実施形態に係るマスクマークＭＭとウエハマークＷＭのパターン形状を示す図である。上記のマスクマークＭＭとウエハマークＷＭをｙ方向から観察した場合において、ｘ方向に沿ったパターンＰからの検出信号を図７（ｂ）に示し、ｙ方向に沿ったパターンＰからの検出信号を図７（ｃ）に示す。
【００５１】
本実施形態では、マスクマークＭＭとウエハマークＷＭは、アライメント光学系の観察方向におけるマーク中心位置の中心パターンＰａと、当該中心パターンＰａに隣接するパターンＰｂとの間隔が、他の位置におけるパターン配列間隔に比べて大きく設定されている。従って、マスクマークＭＭとウエハマークＷＭの両端位置が検出できなくても、中心パターンＰａの信号を検出することにより、マスクマークＭＭとウエハマークＷＭの中心位置を検出することができる。
【００５２】
図８（ａ）は、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２によりｘ方向（図中、矢印で示す）から斜めに観察されたウエハマークＷＭとマスクマークＭＭを示す図であり、図８（ｂ）は側面図である。
【００５３】
観察方向と直交する方向では、マスクマークＭＭとウエハマークＷＭの中心位置が検出できる。このため、マスクマークＭＭと両側のウエハマークＷＭの中心位置の距離ｙ１，ｙ２を求めることにより、ウエハＷとマスクＭのずれ量は（ｙ１−ｙ２）／２となる。
【００５４】
観察方向に沿った方向では、マスクＭの主面の法線方向（ｚ軸方向）から傾いて観察しているため、仮に法線方向から見た場合にはマーク中心位置が一致する場合でも、観察方向に沿ってずれて観察される（より詳細には、マスクＭのマスクマークＭＭの方が、ウエハマークＷＭより上側にずれて観察される）。したがって、マスクＭとウエハＷの間隔Ｇに起因する基準シフト量Ｇｘが存在する。従って、観察画像により検出されるずれ量をＳｘとすると、Ｓｘ＝Ｇｘ＋Δｘとなる。従って、アライメントでは、Δｘ＝０とするようなステージ制御を行えばよい。
【００５５】
次に、ウエハＷの中央領域でのアライメント方法と、ウエハＷの外周領域でのアライメント方法について説明する。図９（ａ）は、ウエハＷの中央領域でのアライメント方法を説明するための図であり、図９（ｂ）は、ウエハＷの外周領域でのアライメント方向を説明するための図である。
【００５６】
ウエハＷの中央領域とは、マスクＭの各相補露光領域に対応するチップが存在する領域と定義する。ウエハＷの外周領域とは、マスクＭの各相補露光領域に対応するチップが１つでも欠ける領域と定義する。図９（ａ）において、ドットを付したチップＣｈが、外周領域におけるチップである。本例では、マスクＭには４つの相補露光領域が存在するため、一回の露光で４つのチップが同時に露光される。
【００５７】
図９（ａ）に示すように、ウエハＷの中央領域では、マスクＭの４つの相補露光領域に対応するチップＣｈが存在する。このため、２つのアライメントカメラ６ｘ１、６ｘ２によりウエハＷとマスクＭのｘ方向のずれ量を算出し、２つのアライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２によりウエハＷとマスクＭのｙ方向のずれ量を算出する。また、マスクＭの４つのマスクマークを観察できることから、ウエハＷのチップＣｈに対する倍率誤差と回転誤差も検出できる。回転誤差は、対角方向にあるマークのずれ量に基づいて算出する。
【００５８】
図９（ｂ）は、ウエハＷの外周領域において、１つのアライメントカメラ６ｙ２のみでしかマークを検出できない場合の例である。この場合には、上記したように、アライメントカメラ６ｙ２により、一組のマスクマークとウエハマークを観察することにより、ｘ方向とｙ方向の双方におけるマスクＭとウエハＷのずれ量を求める。ここで、マスクＭの４隅のうちの１つのマークしか観察できないため、倍率誤差と回転誤差は求めることができない。従って、この場合には、当該露光位置に最も近いウエハＷの中央領域の露光において検出された値を用いる。例えば、図９（ｂ）において、ドットで付された４つのチップＣｈに対して露光する場合に得られた倍率誤差と回転誤差を用いる。
【００５９】
なお、マスクＭのマスクマークＭＭに対応するウエハＷのウエハマークＷＭが、２つあるは３つ存在する場合には、１つのアライメントカメラ６から１つの軸方向のずれ量を求めるか、２つの軸方向のずれ量を求めるかは種々のバリエーションがあるため、特に限定はない。
【００６０】
次に、ウエハＷへの露光方法の手順について、図１０を参照して説明する。
【００６１】
まず、各々のアライメントカメラ６において、検出方法の違いによる誤差を校正する。例えば、アライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２において、一組のマークからｙ方向の相対位置を検出した場合の値を、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２においてｙ方向の相対位置を検出した場合の値に合わせるような校正を行う。なお、逆に、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２において、一組のマークからｘ方向の相対位置を検出した場合の値を、アライメントカメラ６ｘ１，６ｘ２においてｘ方向の相対位置を検出した場合の値に合わせるような校正を行う。
【００６２】
次に、図１０（ａ）に示すように、例えば、通常のダイバイダイアライメントによる露光を繰り返し行う。すなわち、１つのアライメントカメラ６からは、１つの軸方向における位置のみを検出する。これにより、４つのアライメントカメラ６からの検出結果を用いて、ウエハＷとマスクＭのｘ方向およびｙ方向における位置誤差の他、倍率誤差、および回転誤差が求められ、これらの誤差を解消するように露光を行う。なお、回転誤差はステージ１０を回転させることで解消し、倍率誤差は、副偏向器５ａ，５ｂにより電子線ＥＢを偏向させることにより解消する。
【００６３】
図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示すような、外周領域の露光においては、４つのアライメントカメラ６を用いたダイバイダイアライメントが不可能となるため、１〜３つのアライメントカメラ６を用いて、それぞれｘ方向およびｙ方向の位置検出を行う。
【００６４】
上記の露光において、間隔検出手段７によりウエハＷとマスクＭの間隔をモニタして、常にウエハＷとマスクＭの間隔が一定となるように、制御部８によりステージ１０のｚ方向制御がなされる。
【００６５】
従って、アライメントカメラ６による観測方向のマーク位置検出では、制御部８にウエハＷとマスクＭの間隔に起因する１つの基準シフト量Ｇｘを記憶させておけばよい。制御部８は、この基準シフト量Ｇｘとアライメントカメラ６からの観察画像によるマークずれ量に基づいて、実際のずれ量を算出する。また、上記したように、回転誤差および倍率誤差については、中央部での検出結果を用いる。
【００６６】
制御部８によりステージ１０を制御することにより、これらの誤差を解消した後に、電子線ＥＢがマスクＭに照射されて、ウエハＷの露光が施される。その後、次のチップＣｈへとマスクＭを移動させる。
【００６７】
ウエハＷの全てのチップに、マスクＭの全ての相補露光領域を露光するまで、ステージ１０の移動動作、アライメント、露光を繰り返し行う。以上により、１つのウエハＷに対する露光が終了する。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態に係る露光装置および露光方法によれば、ウエハＷの中央部においては、各アライメントカメラ６によりｘ方向あるいはｙ方向の位置を検出し、４つのアライメントカメラ６の結果を組み合わせることにより、ｘ方向およびｙ方向の位置誤差、倍率誤差、回転誤差を検出することができ、ウエハＷとマスクＭの正確なアライメントを実現できる。また、ウエハＷの外周部においては、１つのアライメントカメラ６によりｘ方向およびｙ方向の位置を検出し、倍率誤差および回転誤差については、近接する中央領域でのアライメント計測結果を参照することにより、ウエハＷとマスクＭの正確なアライメントを実現できる。
【００６９】
この結果、ウエハＷの全てのチップＣｈに対して、マスクＭの各相補露光領域１１〜１４に形成された相補マスクパターンを正確に露光することができることから、ウエハＷの外周部におけるチップＣｈの歩留まりや、信頼性を向上させることができる。
【００７０】
また、露光中、アライメントカメラ６を移動させることなく、アライメントカメラ６を固定した状態で、ウエハのアライメントを行うことができることから、露光のスループットを低下させずに、露光精度を向上させることができる。
【００７１】
本実施形態に係るマスクによれば、ｘ方向およびｙ方向に繰り返し配列されたパターンＰを含み、アライメントカメラ６の観測方向に、マーク中心位置を検出し得るようにパターンＰの間隔が不規則に規定されたマスクマークＭＭが各相補露光領域１１〜１４に形成されていることから、１つのアライメントカメラにより観測方向およびこれに直交する方向のマーク検出が可能となる。従って、上記の露光装置および露光方法に使用されることにより、ウエハＷへの正確なパターン転写に寄与することができる。
【００７２】
本実施形態では、ウエハＷの各チップ（半導体装置）には、上記のマスクマークＭＭを挟むような配置で一対のウエハマークＷＭが形成されており、各ウエハマークＷＭが、マスクマークＭＭと同様のパターン形状を有している。すなわち、１つのウエハマークＷＭは、ｘ方向およびｙ方向に繰り返し配列されたパターンＰを含み、アライメントカメラ６の観測方向に、マーク中心位置を検出し得るようにパターンＰの間隔が不規則に規定されていることから、１つのアライメントカメラにより観測方向およびこれに直交する方向のマーク検出が可能となる。このため、上記の露光装置および露光方法に使用されることにより、正確なパターンが転写されることから、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７３】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態では、マスクマークＭＭおよびウエハマークＷＭは、アライメントカメラ６による観測方向にパターンＰが不規則に配置されている例を示したが、観測方向と直交する方向にもパターンＰが不規則に配置されていてもよい。また、マークを構成するパターンＰの配置は種々の変更が可能である。また、本実施形態では、ウエハＷを支持するステージ１０によりアライメントを行う例について説明したが、マスクを支持するステージによりマスクを移動させてもよい。さらに、本実施形態では、一例としてマスクＭの補強部２２の配置について説明したが、補強部２２の配置はこれに限定されるものではない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施形態に係る露光装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）はマスクＭの一例を示す平面図であり、（ｂ）はマスクＭの要部断面図である。
【図３】４つの相補露光領域１１〜１４を含む露光領域の平面図である。
【図４】アライメントカメラ６によるマスクＭとウエハＷのアライメントを説明するための図である。
【図５】（ａ）はウエハマークＷＭとマスクマークＭＭを示す平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図６】（ａ）は従来のマスクマークＭＭ’とウエハマークＷＭ’のパターン形状を示す図であり、（ｂ）は観察方向と直交する方向に沿ったマーク検出信号を示す図であり、（ｃ）は観察方向に沿ったマーク検出信号を示す図である。
【図７】（ａ）は本実施形態に係るマスクマークＭＭとウエハマークＷＭのパターン形状を示す図であり、（ｂ）は観察方向と直交する方向に沿ったマーク検出信号を示す図であり、（ｃ）は観察方向に沿ったマーク検出信号を示す図である。
【図８】（ａ）は、アライメントカメラ６ｙ１，６ｙ２により観察されたウエハマークＷＭとマスクマークＭＭを示す図であり、（ｂ）は側面図である。
【図９】（ａ）はウエハＷの中央領域でのアライメント方法を説明するための図であり、（ｂ）はウエハＷの外周領域でのアライメント方向を説明するための図である。
【図１０】ウエハの露光方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７５】
１…電子銃、２…アパーチャ、３…コンデンサレンズ、４ａ，４ｂ…主偏向器、５ａ，５ｂ…副偏向器、６…アライメントカメラ、６ｘ１，６ｘ２…ｘ方向アライメントカメラ、６ｙ１，６ｙ２…ｙ方向アライメントカメラ、７…間隔検出手段、８…制御部、９…ステージ駆動部、１０…ステージ、１１…第１の相補露光領域、１２…第２の相補露光領域、１３…第３の相補露光領域、１４…第４の相補露光領域、２０…基板、２１…パターン形成膜、２２…補強部、２３…貫通孔、Ｍ…マスク、ＭＭ…マスクマーク、Ｗ…ウエハ、ＷＭ…ウエハマーク、Ｃｈ…チップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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