(57)【要約】【課題】直交変換を用いたマーク位置計測の高速化を実現できる。【解決手段】複数パターンを繰返し配置してなる位置合わせ用マークに基づいて位置検出をする機構は、まず、撮像ユニット６、Ａ／Ｄ変換ユニット７、積算ユニット８により、位置合わせ用マークの複数パターンの繰返しに応じた信号波形が生成される。生成された信号波形は、直交変換ユニット１３により直交変換されて空間周波数領域信号が生成され、空間周波数領域信号におけるピーク位置に基づいて、異なる基本空間周波数に対応する複数のピークが検出される。そして、位相算出ユニット１４が、検出した複数のピークの各々に対応する基本空間周波数について位相を求め、位置算出ユニット１５が求めた位相に基づいてパターンの位置を算出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数パターンを繰返し配置してなる位置合わせ用マークに基づいて位置検出をする位置検出方法であって、
前記位置合わせ用マークの前記複数パターンの繰返しに応じた信号波形を生成する生成工程と、
前記信号波形を直交変換して空間周波数領域信号を生成する変換工程と、
前記空間周波数領域信号におけるピーク位置に基づいて、異なる基本空間周波数に対応する複数のピークを検出する検出工程と、
前記検出工程で検出した複数のピークの各々に対応する基本空間周波数について、それぞれ位相を求め、求めた位相に基づいてパターンの位置を算出する算出工程とを備えることを特徴とする位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造用の縮小投影露光装置等において、各部材の精密な位置合わせを実現するのに好適な位置検出方法に関する。特に本発明は、半導体製造用露光装置でのウェハ、レチクル、ステージなどの位置検出を行い、さらにウェハとレチクル、レチクルと装置の基準位置、装置部品間の相対位置合わせ等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な半導体製造用露光装置におけるマーク撮像方法について、図７を参照して説明する。図７において、Ｒはレチクル、Ｗは露光基板であるウェエハ、１はｚ軸を光軸とする投影光学系である。また、Ｓは被観察マーク撮像用光学系であり、２はマーク撮像用の照明ユニット、３はビームスプリッタ、４と５は結像光学系、６は撮像ユニットである。７はＡ／Ｄ変換ユニット、８は積算ユニット、９は画像処理ユニット、１０はステージ駆動ユニット、１１は３次元に移動可能なステージ、１２は干渉計などのステージ位置を計測するための位置計測ユニットである。
【０００３】
以上の構成を有した露光装置において、マーク撮像は次のような手順で行われていた。まず、図示はしていないが、レチクルマークＲＭを観察できる位置に予めレチクルステージ移動ユニットによりレチクルを移動させる。同様に、ウエハＷ上の被観察マークＷＭを観測できる位置にステージ１１を移動させる。最初に、照明ユニット２から照射した光束により、ビームスプリッタ３、レチクルマークＲＭ及び投影光学系１を介して、ウェハマークＷＭを照明する。マークから反射した光束は、再度投影光学系１、レチクルＲを介してビームスプリッタ３に到達する。投影光学系１から到達した光束はビームスプリッタ３で反射して結像光学系５を介して撮像ユニット６の撮像面上にレチクルマークの像ＲＭとウェハマークの像ＷＭを形成する。
【０００４】
図２（ａ）は、上記における、撮像面上の被観察マークの一例を示したものである。レチクルマークＲＭ、ウエハマークＷＭはそれぞれ同一形状のパターンを複数配置したものである。なお、レチクルマーク、ウエハマークは、それぞれ一定の基本空間周波数のマークピッチで構成されている。撮像ユニット６では、撮像面上に形成されたマークの像について光電変換を行う。その後、Ａ／Ｄ変換ユニット７において、２次元のデジタル信号列に変換する。
【０００５】
次に、図７の積算ユニット８により、図２（ａ）に示すような領域ＷＰのＹ方向に積算処理を行い、図２（ｂ）に示すように２次元信号を１次元のデジタル信号列Ｓ０（ｘ）に変換する。画像処理ユニット９、その変換されたデジタル信号列Ｓ０（ｘ）を用いてパターンマッチングあるいは重心計算等の手段を用いてレチクルマークとウェハマークの中心位置を計測したり、相対位置を計測する。
【０００６】
上記説明したマーク位置検出方法は、精密なマーク位置検出を必要とする位置検出装置において極めて有効な方法である。しかし、上記従来例では、電気信号を処理するためのＡ／Ｄ変換により信号は離散系列となり、検出されるマーク位置も離散値となる。近年、位置検出精度向上への要求が高まるに従い、これらの影響も無視できなくなってきている。
【０００７】
これに対して、特許文献１、特許文献２には、離散系列信号を直交変換により空間周波数領域の信号に変換しマーク固有の空間周波数の位相からマーク位置を計測することにより、離散系列信号から高精度な位置検出を可能にする技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平３−２８２７１５号公報
【特許文献２】
特開平１０−２８４４０６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に開示された技術を利用する場合には、図２（ａ）に示されたレチクルマークＲＭとウェハマークＷＭの両方の位置計測を行うのにそれぞれのマーク毎に位置を計測しなければならない。すなわち、処理ウィンドウをレチクルマークＲＭとウェハマークＷＭの２つの領域に個別に設定し、処理に負担のかかる直交変換を２回行わなくてはならなくなり、スループットが下がってしまう問題が発生する。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、直交変換を用いたマーク位置計測の高速化を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による位置検出方法は、
複数パターンを繰返し配置してなる位置合わせ用マークに基づいて位置検出をする位置検出方法であって、
前記位置合わせ用マークの前記複数パターンの繰返しに応じた信号波形を生成する生成工程と、
前記信号波形を直交変換して空間周波数領域信号を生成する変換工程と、
前記空間周波数領域信号におけるピーク位置に基づいて、異なる基本空間周波数に対応する複数のピークを検出する検出工程と、
前記検出工程で検出した複数のピークの各々に対応する基本空間周波数について、それぞれ位相を求め、求めた位相に基づいてパターンの位置を算出する算出工程とを備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
以下では、半導体製造用露光装置に本発明の位置決めを適用した例を示す。
【００１４】
図１は第１実施形態による半導体製造用露光装置の位置決めに係る構成を説明するブロック図である。図１において、Ｒはレチクル、Ｗは露光基板であるウエハ、１はｚ軸を光軸とする投影光学系である。また、Ｓは被観察マーク撮像用光学系であり、２はマーク撮像用の照明ユニット、３はビームスプリッタ、４と５は結像光学系、６は撮像ユニットである。７はＡ／Ｄ変換ユニット、８は積算ユニット、９は画像処理ユニット、１０はステージ駆動ユニット、１１は３次元に移動可能なステージ、１２は干渉計等を用いてステージ１１の位置を計測する位置計測ユニット、１３は直交変換ユニット、１４は位相算出ユニット、１５は位置算出ユニットである。以上の構成を備えた本実施形態の位置決め構成によるマーク撮像及び位置計測の手順について説明する。
【００１５】
まず、予めレチクルステージを移動させる移動装置（不図示）により、レチクルマークＲＭを観察できる位置にレチクルＲを移動させる。同様に、ステージ駆動ユニット１０、位置計測ユニット１２を用いて、ウエハＷ上の被観察マークＷＭを観測できる位置にステージ１１を移動させる。
【００１６】
次に、観察マークを照明するための照明光を照明ユニット２より照射する。なお照明ユニット２は焦点位置計測用の照明装置と共用してもかまわない。照明ユニット２から照射した光束は、ビームスプリッタ３、レチクルマークＲＭ及び投影光学系１を介して、ウェハマークＷＭを照明する。ウエハマークＷＭから反射した光束は、再度投影光学系１、レチクルＲを介してビームスプリッタ３に到達する。こうして到達した光束は、ビームスプリッタ３において反射して結像光学系５を介して撮像ユニット６の撮像面上に被観察マークの像ＲＭとＷＭを形成する。
【００１７】
図３（ａ）は撮像面上の被観察マークの一例を示した図である。レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭのそれぞれは同一形状のパターンを複数配置したものである。図３ではレチクルマークＲＭの中にウエハマークＷＭが入るように構成されているが、ウエハマークＷＭの中にレチクルマークＲＭが入るように構成してもよい。但し、レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭは撮像画面上で互いに異なる線幅とピッチで配置されるようになっている。そして、このときのレチクルマークのピッチＰＲとウエハマークのピッチＰＷが、ＰＷ≠ｍＰＲ（ｍは任意の整数）となるようにする。また、図３（ａ）に示されるようにウエハマークＷＭを挟み込んで処理を行うような場合は、挟み込む両側のレチクルマークＲＭのスパンＳＲはＳＲ＝ｎＰＲ（ｎは任意の整数）となるようにする（なお、挟み込まない場合は、求めたマーク位置を一致させるのではなく、所定距離だけ離すように位置決めすることになる）。
【００１８】
以上のようなマーク群を撮像ユニット６において撮像し、光電変換を行う。その後、Ａ／Ｄ変換ユニット７において、２次元のデジタル信号列に変換する。図１の積算ユニット８は、図３（ａ）に示すような領域ＷＰのＹ方向に積算処理を行い、図３（ｂ）に示すように２次元信号を１次元のデジタル信号列Ｓ０（ｘ）に変換する。その後、変換されたデジタル信号列を特開平３−２８２７１５号公報や特開平１０−２８４４０６号公報に記述された方法により処理してマーク位置を算出する。
【００１９】
ここでは、特開平１０−２８４４０６号公報に開示されているマーク位置の算出方法を適用した場合を説明する。
【００２０】
図８は本実施形態による信号処理の手順を説明するフローチャートである。図７において、ステップＳ１で周期的パターンを発生する。すなわち、積算ユニット８によって、図３（ｂ）に示すような、周期性を有する１次元離散信号列が生成され、直交変換ユニット１３に提供される。
【００２１】
続くステップＳ２において、直交変換ユニット１３は積算ユニット８より入力した信号について直交変換処理を行なう。ここでは、入力信号に対して離散フーリエ変換等の公知の直交変換を施し、信号を空間周波数領域に変換する。例えば直交変換として離散フーリエ変換を用いた場合、空間周波数領域の値は以下の変換式で求めることができる。
【００２２】
【数１】
2004241633.tif 000003
【００２３】
（１）、（２）で、ｘは入力信号列、Ｘｒは空間周波数成分の実数部分、Ｘｉは空間周波数成分の虚数部分、Ｎは離散フーリエ変換処理幅、ｘｏは離散フーリエ変換処理範囲の中心で位相検出を行なう位置、ｆは求める空間周波数成分の周波数である注目周波数である。
【００２４】
更に、直交変換では全周波数での値を求め、パワーが最大となる周波数を選択する。図４は直交変換後のスペクトル分布である。レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭのピッチが異なるのでそれぞれ異なる空間周波数ｆＲ、ｆＷにおいてピークを持つ。そして、ステップＳ３において各マークに対応する空間周波数ｆＲ、ｆＷの位相を位相算出ユニット１４で求め、ステップＳ４で各マーク位置をマーク位置算出ユニット１５にて算出する。
【００２５】
まず、位相算出ユニット１４は、空間周波数領域で検出しようとするパターンが固有に現われる空間周波数成分の位相θを以下の公知の式（３）を用いて算出する。
【００２６】
【数２】
2004241633.tif 000004
【００２７】
ここで、位相θはｆがｆＲの場合と、ｆＷの場合についてそれぞれ求めることになる。
【００２８】
次いで、位置算出ユニット１５は、位相算出ユニット１４で得た位相θから、マーク位置ｄを以下の式（４）を用いて算出する。なお、位相算出ユニット１４で得られた２つの位相に対応して、レチクルマーク位置とウエハマーク位置の２つが算出される。
【００２９】
【数３】
2004241633.tif 000005
【００３０】
この式はｘｏに位相θ分だけ周期的パターン信号が進んだときの進み幅を加えたものである。従って、レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭの２つのマーク間の相対的な位置が検出でき、この検出結果を基にレチクルとウエハの位置決めを行なうことができる。
【００３１】
以上説明したように第１実施形態によれば、レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭを異なる線幅とピッチで配置し、さらにこのときのレチクルマークのピッチＰＲとウェハマークのピッチＰＷが、ＰＷ≠ｍＰＲ（ｍは任意の整数）となるようにしてその離散系列信号を直交変換することで、１回の直交変換処理で各マークの基本空間周波数を求めることができ、各マークに対応する基本空間周波数の位相から各マークの位置を正確に求めることができる。すなわち、レチクルマークＲＭとウエハマークＷＭの相対位置を１回の直交変換処理によって求めることができるようになるので、高精度な位置検出が可能であると共にスループット上の問題も発生しない。
【００３２】
また、上記の手法によれば、マーク位置は信号列の周期性に着目して検出されるため、信号に混在するノイズの影響を受けにくい。
【００３３】
＜第２実施形態＞
次に、半導体製造用露光装置におけるウエハとレチクルの位置決めに係る第２実施形態を示す。第１実施形態では１方向に並ぶマークから位置検出を行なうため、１つのマークから１つの方向についての位置しか算出できない。第２実施形態では、１つのマークで２方向に対応する位置検出を行なえるようにする。なお、位置決めに関る装置構成は第１実施形態（図１）と同様であるので、図示及び説明は省略する。
【００３４】
図５は、第２実施形態における、撮像ユニット６の撮像面上に結像される被観察マークの一例を示した図である。第２実施形態で採用されるマークは、同一形状のパターンを複数配置し、またｘ、ｙ方向の計測を１回の撮像画像から行えるように同一形状のマークを互いに直交する２方向に配置したものである。
【００３５】
図５のようにレチクルマークＲＭとウエハマークＷＭは撮像画面上で互いに異なる線幅とピッチで配置されるようにし、さらにこのときのレチクルマークのピッチＰＲとウエハマークのピッチＰＷが、ＰＷ≠ｍＰＲ（ｍは任意の整数）となるようにする。また、レチクルマークＲＭのスパンＳＲはＳＲ＝ｎ１ＰＲ（ｎ１は任意の整数）、ウエハマークＷＭのスパンＳＷはＳＷ＝ｎ２ＰＷ（ｎ２は任意の整数）となるようにする。撮像面上でこのように配置されたマークは、それぞれスパンＳＲ、ＳＷだけ離れていても位相が等しくなるため、直交変換に影響を与えることなく、第１実施形態で説明した方法と同様な方法でマーク位置計測を行うことができる。
【００３６】
＜第３実施形態＞
次に、半導体製造用露光装置におけるウエハとレチクルの位置決めに係る第３実施形態を示す。ウエハとレチクルの位置合わせに要求される精度は非常に高くなってきており、ウエハマーク及びレチクルマークの各々の位置を高精度に求めることが必要である。そこで、第３実施形態では、ウエハマーク或いはレチクルマークの少なくともいずれかを異なる基本空間周波数のマークピッチで構成し、第１、第２実施形態で説明した位置検出方法を適用して、各マークの位置を高精度に検出する。すなわち、第１及び第２実施形態ではレチクルマークとウエハマークの位置を求めてそれらの相対位置を算出したが、第３実施形態では１つのマーク（例えばレチクルマーク）中に基本空間周波数の異なるマークを設け、１回の直交変換により粗位置と精密位置の算出を行なえるようにする。なお、位置決めに関る装置構成は第１実施形態（図１）と同様であるので、図示及び説明は省略する。
【００３７】
図６は第３実施形態における、撮像ユニット６の撮像面上に結像される被観察マークの一例を示した図である。第３実施形態による被観察マーク（ウエハマーク）は、同一形状のパターンを複数配置したものであり、図６に示されるようにウエハマークＷＭ１とウエハマークＷＭ２は撮像画面上で互いに異なる線幅とピッチで配置されるように構成されている。そして、このときのウエハマークのピッチＰＷ１とＰＷ２が、ＰＷ１≠ｍＰＷ２（ｍは任意の整数）となるようにする。このようなマークを用いて、第１実施形態で説明したのと同様な方法でマーク位置計測を行うと、ピッチの荒いＷＭ１でウエハマークの大まかな位置を求めてｘｏを決定し、その後ピッチのより細かいＷＭ２を計測してｘｏを補正することにより、より正確なマーク位置を求めることができる。
【００３８】
なお、上記第３実施形態では、ウエハマークについて説明したが、レチクル側にも上記のようなマークピッチの異なるマークを配置して同様の処理を行うようにしてもよい。
【００３９】
なお、上記各実施形態において、マーク群による周期パターンとして実素子（実際の回路パターン）に含まれる周期パターンも利用することが可能である。
【００４０】
以上の各実施形態に関する主な特徴をまとめれば以下のとおりである。
複数パターンを繰返し配置してなる位置合わせ用マークに基づいて位置検出をする機構においては、まず、位置合わせ用マークの複数パターンの繰返し（図３、図６）に応じた信号波形が生成される（撮像ユニット６、Ａ／Ｄ変換ユニット７、積算ユニット８）。生成された信号波形は、直交変換ユニット１３により直交変換されて空間周波数領域信号が生成され、空間周波数領域信号におけるピーク位置に基づいて、異なる基本空間周波数に対応する複数のピークが検出される（ｆＷ、ｆＲ、図４）。そして、位相算出ユニット１４は、検出した複数のピークの各々に対応する基本空間周波数について位相を求め、位置算出ユニット１５は求めた位相に基づいてパターンの位置を算出する。
【００４１】
特に、第１及び第２実施形態では、撮像ユニット６、Ａ／Ｄ変換ユニット７、積算ユニット８における信号波形の生成において、第１の物体面に設けられた位置合わせ用マーク（ＲＭ）と第２の物体面に設けられた位置合わせ用マーク（ＷＭ）を合成するように観察して得られる位置合わせ用マークに対応した信号波形（図３の（ａ））を生成する。そして、上記の直交変換ユニット１３、位相算出ユニット１４、位置算出ユニット１５により第１の物体面に設けられた位置合わせ用マークの位置と前記第２の物体面に設けられた位置合わせ用マークの位置をそれぞれ算出する。
【００４２】
ここで、上記異なる基本空間周波数は、互いに整数倍とならないことが好ましい。
【００４３】
また、第３実施形態では、低い基本周波数（図６のＷＭ１）について算出された位相に基づいて当該位置合わせ用マークの粗位置を求め、高い基本周波数（図６のＷＭ２）について算出された位相に基づいて前記粗位置を補正し精密な位置を算出する。
【００４４】
また、第１及び第２実施形態では、複数パターンを間隔ＰＲで繰返し配置してなる位置合わせ用マーク（ＲＭ）を有する第１基板（レチクルＲ）と、複数パターンを間隔ＰＷで繰り返し配置してなる位置合わせ用マーク（ＷＭ）を有する第２基板（ウエハＷ）とが供給される。ここで、ＰＲ≠ｍＰＷ（ｍは整数）である。そして、第１基板及び第２基板上の位置合わせ用マークを同時に観察して得られる合成された位置合わせ用マーク（図３、図５）から、複数パターンの並びに対応した信号（図３（ｂ））を生成し、生成された信号は直交変換ユニット１３で直交変換されて空間周波数領域信号となる。そして、この空間周波数領域信号におけるピーク位置に基づいて、間隔ＰＲ及び間隔ＰＷに対応した基本空間周波数に対応する２つのピーク（ｆＷ、ｆＲ）が検出される。位相算出ユニット１４は検出された２つのピークに対応した基本空間周波数についてそれぞれ位相を求め、位置算出ユニット１５は求めた位相に基づいて前記第１及び第２基板のそれぞれの位置決め用パターンの位置を算出する。こうして２つの基板の相対位置を迅速に得ることができる。
【００４５】
また、第１実施形態によれば、第１基板上の位置合わせ用マークは、間隔ＰＲで繰返されるパターンの並びの中に、間隔ＳＲ＝ｎＰＲ（ｎは整数）でパターンが配置される部分を有し、合成された位置合わせマーク（図３）は、間隔ＳＲのパターン間に第２基板上の複数パターンが配置されてなる。
【００４６】
また、第２実施形態によれば、第１基板上の位置合わせ用マークは間隔ＳＲ＝ｎＰＲ（ｎは整数）でパターンが配置される部分を有し、該間隔ＳＲの部分で直交するように該位置合わせ用マークが２つ設けられ（図５）、第２基板上の位置合わせ用マークが間隔ＳＷ＝ｋＰＷ（ｋは整数）でパターンが配置される部分を有し、該間隔ＳＷの部分で直交するように該位置合わせ用マーク２つ設けられ（図５）、合成された位置合わせマークは、第１基板の位置合わせ用マークの間隔ＳＲを有する部分によって形成される空間に、第２基板の位置合わせ用マークが配置される（図５）。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、直交変換を用いたマーク位置計測の高速化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態による半導体製造用露光装置の位置決めに係る構成を説明するブロック図である。
【図２】撮像面上における被観察マークの一般的な例と、その被観察マークによって得られる周期的パターン信号を示す図である。
【図３】第１実施形態による、撮像面上の被観察マークの一例と、その被観察マークによって得られる周期的パターン信号を示す図である。
【図４】図３に示す周期的パターン信号波形を直交変換した空間周波数領域を示す図である。
【図５】第２実施形態による、撮像面上の被観察マークの一例と、その被観察マークによって得られる周期的パターン信号を示す図である。
【図６】第３実施形態による、撮像面上の被観察マークの一例と、その被観察マークによって得られる周期的パターン信号を示す図である。
【図７】一般的な半導体製造用露光装置の位置決めに係る構成を説明するブロック図である。
【図８】第１実施形態による信号処理の手順を説明するフローチャートである。
【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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