(57)【要約】【課題】リアルタイムで基板に起因する誤差を評価する。【解決手段】基板２上に形成された段差を有するマーク１からの光束を集光する対物レンズ１４と、対物レンズ１４からの光束を結像する結像光学系２１と、結像光学系２１で結像されたマーク１の像を撮像する撮像手段２２と、撮像手段２２で撮像されたマーク１の像より、マーク１の位置を求める位置検出手段２３と、対物レンズ１４の焦点位置とマーク１との、対物レンズ１４の光軸方向の位置関係を変化させる焦点位置変更手段５と、焦点位置変更手段５で変化させた複数の焦点位置における位置検出手段２３によるマーク１の位置検出結果に基づいて、位置検出結果が基板２に起因する誤差の影響を受けているか否かを判断可能な情報を出力する出力手段３２，３３とを備える。【選択図】  図１
2005210125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された段差を有するマークからの光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズからの光束を結像する結像光学系と、
前記結像光学系で結像された前記マークの像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記マークの像より、前記マークの位置を求める位置検出手段と、
前記対物レンズの焦点位置と前記マークとの、前記対物レンズの光軸方向の位置関係を変化させる焦点位置変更手段と、
前記焦点位置変更手段で変化させた複数の焦点位置における前記位置検出手段による前記マークの位置検出結果に基づいて、位置検出結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けているか否かを判断可能な情報を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマーク位置検出装置において、
前記出力手段からの前記情報に基づき、前記複数の焦点位置での位置検出結果の違いが所定値より大きいとき、位置検出結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けていると判断する判断手段
を有することを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載のマーク位置検出装置において、
前記判断手段は、前記位置検出手段による検出結果に基づいた補正用の情報を、前記マークを形成する位置を制御する制御装置に対して出力可能であり、位置検出結果が前記基板に起因する誤差を受けていると判断した場合、前記補正用の情報を前記制御装置に出力しないことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項４】
基板上に形成された段差を有する第１のマークと第２のマークからの光束の集光する対物レンズと、
前記対物レンズからの光束を結像する結像光学系と、
前記結像光学系で結像された前記第１のマークと前記第２のマークの像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記第１のマークと前記第２のマークの像より、前記第１のマークと前記第２のマークとの位置ずれ量を測定する測定手段と、
前記対物レンズの焦点位置と前記マークとの、前記対物レンズの光軸方向の位置関係を変化させる焦点位置変更手段と、
前記焦点位置変更手段で変化させた複数の焦点位置における前記測定手段による測定結果に基づいて、測定結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けているか否かを判断可能な情報を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とする位置ずれ検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の位置ずれ検出装置において、
前記出力手段からの前記情報に基づき、前記複数の焦点位置での測定結果の違いが所定値より大きいとき、測定結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けていると判断する判断手段
を有することを特徴とする位置ずれ検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の位置ずれ検出装置において、
前記判断手段は、前記測定手段による測定結果に基づいた補正用の情報を、前記第１のマークあるいは前記第２のマークを形成する位置を制御する制御装置に対して出力可能であり、測定結果が前記基板に起因する誤差を受けていると判断した場合、前記補正用の情報を前記制御装置に出力しないことを特徴とする位置ずれ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にあるマークの位置を検出するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路の製造に使用される最も重要な処理制御技術の一つはパターン層の重ね合わせ精度の測定で、即ち、あるパターン層が当該層の上もしくは下に位置する他方のパターン層に対してどの程度正確に重ね合わされているかを測定することである。
重ね合わせ測定は、一般的にパターンの付いたレジスト層の状態で行われる。すなわち、レジスト層をエッチングする前に行なわれる。重ね合わせ測定により、レジスト層が下の層に対して重ね合わせが合っていないことがわかった場合、この基板はレジスト層を取り除かれ、レジストが塗布される前の状態に戻され、露光装置のアライメントを調整した後に再度露光すべく露光焼き付け処理に戻される。一般的に、重ね合わせの誤差を測定した後に、次に層の生成時のアライメントを制御する制御系にそれら測定結果はフィードバックされる。
【０００３】
各パターン層に形成されている測定用パターンはこの重ね合わせのずれを測定するのに使用される。ごく一般的に用いられている測定用パターンは正方形で、一般的に「バーインーバー」マークと称され、その例を図９（ａ）に示す。外枠バーマーク５１が約３０μｍ四方の寸法で処理層（下層）に形成され、内枠バーマーク５２は、約１５μｍ四方の寸法でフォトレジスト層（上層）に形成される。外枠バーマーク５１と内枠バーマーク５２は、例えば、ＣＣＤカメラを有する顕微鏡装置で検出される。
【０００４】
処理層に対するフォトレジスト層の重ね合わせずれは、外枠バーマーク５１と内枠バーマーク５２との間の位置のずれである。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す線５３に沿ったＣＣＤの出力信号波形を示す。信号５４Ｌ，５４Ｒ，５５Ｌ及び５５Ｒは、点５１Ｌ，５１Ｒ，５２Ｌ及び５２Ｒにそれぞれ対応する。中間点５４Ｃは信号５４Ｌと５４Ｒから求める。同様に、中間点５５Ｃも、信号５５Ｌと５５Ｒから求める。
【０００５】
Ｘ方向の重ね合わせずれ量は中間点５４Ｃと５５Ｃ間の距離を求めることにより決まる。これと同じ方法でＹ方向の重ね合わせずれ量を求める。基板上（基板は、例えば、シリコンウエハ、硝子若しくは石英基板、若しくはシリコン以外の半導体材料でも可）の全ての重ね合わせマークで重ね合わせずれ量がゼロということは、フォトレジスト層は下層である処理層と寸分違わず位置合せされていることを意味する。この場合、当該基板は、再度元の工程に戻ることなく次の製造工程に送られる。
【０００６】
しかし、たとえ測定された重ね合わせずれ量がゼロでも、当該２つの層に位置ずれ誤差が存在する可能性がある。一般にこの測定されない位置ずれには２つの理由がある。この２つの理由とは、後述する測定器具（tool)に起因する誤差（ＴＩＳ）とウエハに起因する誤差（ＷＩＳ）である。
測定器具に起因する誤差とは、測定に用いる器具（tool）に起因する測定上の誤差である。この測定器具は、ＣＣＤ、光学系（基板を照射するための照明系及び基板の画像を捕らえる検出系光学を含む）、及び当該光学系を制御するために使用されるソフトウエアを含む。
【０００７】
ＴＩＳは、例えば、照明光がテレセントリックで無い場合、もしくは当該照明系及び若しくは検出光学系の光軸が当該基板と厳密に直交していない場合に引き起こされる。ＴＩＳは次の式（１）で求めることが出来る。
ＴＩＳ=(Ｍ(0)+Ｍ(180))/２    ・・・式（１）
この場合、Ｍ(0)は重ね合わせマークが零回転時に得られる重ね合わせずれ量で、Ｍ(180)は、基板が１８０度（重ね合わせマーク１８０度回転と称される）回転した時点で得られる重ね合わせずれ量である。図９（ａ）において、紙面をＸ−Ｙ面とし、紙面に直交する軸をＺ軸とする。重ね合わせずれ量は基板がθ＝０度回転時に測定され、次にＺ軸に関し基板（バーインーバーマークも含む）を１８０度回転させて、その結果、θ＝１８０度回転時の重ね合わせずれ量の測定が可能となる。従って、ＴＩＳを決めるために、Ｍ(0)とＭ(180)を測定することが出来る。当該位置ずれ誤差を最小にするためには、ＴＩＳを補正すべきである。ＴＩＳ補正値で補正された測定値（ＴＣＶと称す）がアライメント評価用の重ね合わせずれ量として使用される。次の式（２）はＴＣＶの求め方を示す。
【０００８】
ＴＣＶ=Ｍ(0)-ＴＩＳ=(Ｍ(0)-Ｍ(180))/２    ・・・式（２）
ウエハに起因する誤差（つまり、ウエハ起因による測定結果における誤差）は、基板上に形成されたパターン層の特徴により引き起こされる。ＷＩＳの一つの原因は基板上に形成された膜層に施される非対称な(均一でない)処理である。例えば、基板から層の一部を除去したり、研磨したり、もしくは、基板上に層を蒸着する工程が、基板全体にわたって均一に行われないと、それはＷＩＳの原因となる可能性がある。例えば、層の厚みの一部を取り除くために化学機械研磨（ＣＭＰ）処理をその層へ施すことによりある層は非常に薄くされる。このＣＭＰ処理は、その層の一部を取り除くために一般的には基板上の最上層と当接する回転ディスクを使用して行う。外周部でのそのディスクの速度は、この中心部近傍のディスクの速度より速く、このディスクの内周（中心）部に比べて、同ディスクの外周部近傍の基板層に異なる効果を引き起こすことになる。例えば、基板中心から外周部へディスク回転が進むにつれて、スルーホールの方向が、ディスクが回転している方向へ傾いてくる。更に、蒸着中、一般的に蒸着材の供給源は、基板の中心軸位置の基板上方に置かれる。基板に蒸着される蒸発物質はこの供給源から放射され、基板の中心部と外周部で非均一に蒸着してしまう。
これらの非対称な処理工程は、重ね合わせ測定中になされた測定において、ＷＩＳ誤差を引き起こす。したがって、ＴＩＳ同様にＷＩＳも補正しなければならい。しかしながら、ＷＩＳ補正は非常に難しく、以下に説明するように、あまり頻繁に行えない。
【０００９】
一般的に基板は、カセットに収納可能な基板の数に合わせたロット単位で処理されている。この一般的なカセット収納容量は２５枚である。重ね合わせ検査は、一般的に各ロットの３枚のウエハ上で行う。ロットが２５枚の基板の場合、重ね合わせ検査（ＴＩＳ評価を含む）は、例えば、当該ロットの第１、第１０及び第１２番目の基板上で行う。
ＷＩＳを測定するためは、アフター・エッチング検査（ＡＥＩ）と称する工程を行う。レジスト層に対してエッチング処理をした後の状態で測定した重ね合わせずれ量は、ＷＩＳの影響は受けない。したがって、エッチング前とエッチング後での重ね合わせずれ量の測定値を比較することにより、ＷＩＳの補正値を知ることは可能である。
しかし、ＡＥＩは時間が掛かり、通常の工程では行わない。つまり、１日１回、又は一週間に一回もしくは１ヶ月に１回おこなうのが一般的で、基板の各ロットで実施することは実用的でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
回路パターンがますます微細化し、重ね合わせ精度の向上が今後ますます重要となるので、ＷＩＳに関連する問題を解決することは重要である。重ね合わせ測定装置に必要とされる精度仕様は、パターンピッチ７０ｎｍ対応の装置で約２．５ｎｍである。現在、測定再現性を規定している重ね合わせ測定の精度は、実際の処理基板として１ｎｍ以下である。この精度は現行の重ね合わせ測定の仕様要件としては充分である。
【００１１】
一方、正確さの性能、つまり、測定がＷＩＳ補正無しで真の重ね合わせずれ量にどれだけ近似しているか、という性能は依然として５−１０ｎｍ以上である。従って、測定の精度を改善するために、ＷＩＳを測定して、測定された重ね合わせずれ量用に補正することが望ましい。したがって、前述したようにＷＩＳを定期的に測定して補正することが好ましいのであるが、ＡＥＩを頻繁に行なわなくても、ＷＩＳを測定・補正することが望ましい。
【００１２】
本発明は、マーク位置の検出の精度を上げるためにリアルタイムで基板に起因する誤差を評価可能な装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題の解決のため請求項１に係る発明は、
基板上に形成された段差を有するマークからの光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズからの光束を結像する結像光学系と、
前記結像光学系で結像された前記マークの像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記マークの像より、前記マークの位置を求める位置検出手段と、
前記対物レンズの焦点位置と前記マークとの、前記対物レンズの光軸方向の位置関係を変化させる焦点位置変更手段と、
前記焦点位置変更手段で変化させた複数の焦点位置における前記位置検出手段による前記マークの位置検出結果に基づいて、位置検出結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けているか否かを判断可能な情報を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするマーク位置検出装置である。
【００１４】
請求項２に係る発明は、
請求項１に記載のマーク位置検出装置において、
前記出力手段からの前記情報に基づき、前記複数の焦点位置での位置検出結果の違いが所定値より大きいとき、位置検出結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けていると判断する判断手段を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、
請求項２に記載のマーク位置検出装置において、
前記判断手段は、前記位置検出手段による検出結果に基づいた補正用の情報を、前記マークを形成する位置を制御する制御装置に対して出力可能であり、位置検出結果が前記基板に起因する誤差を受けていると判断した場合、前記補正用の情報を前記制御装置に出力しないことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明は、
基板上に形成された段差を有する第１のマークと第２のマークからの光束の集光する対物レンズと、
前記対物レンズからの光束を結像する結像光学系と、
前記結像光学系で結像された前記第１のマークと前記第２のマークの像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記第１のマークと前記第２のマークの像より、前記第１のマークと前記第２のマークとの位置ずれ量を測定する測定手段と、
前記対物レンズの焦点位置と前記マークとの、前記対物レンズの光軸方向の位置関係を変化させる焦点位置変更手段と、
前記焦点位置変更手段で変化させた複数の焦点位置における前記測定手段による測定結果に基づいて、測定結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けているか否かを判断可能な情報を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とする位置ずれ検出装置である。
【００１７】
請求項５に係る発明は、
請求項４に記載の位置ずれ検出装置において、
前記出力手段からの前記情報に基づき、前記複数の焦点位置での測定結果の違いが所定値より大きいとき、測定結果が前記基板に起因する誤差の影響を受けていると判断する判断手段
を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明は、
請求項５に記載の位置ずれ検出装置において、
前記判断手段は、前記測定手段による測定結果に基づいた補正用の情報を、前記第１のマークあるいは前記第２のマークを形成する位置を制御する制御装置に対して出力可能であり、測定結果が前記基板に起因する誤差を受けていると判断した場合、前記補正用の情報を前記制御装置に出力しないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基板が、その基板に起因する検出誤差の影響を受けているか否かを評価することができ、マーク位置検出の精度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態の一つを説明する。
図１は本発明の実施形態による重ね合わせずれ量を測定するための装置である。紙面に垂直な方向をＹ軸方向、左右へ伸びる方向をＸ軸方向、そして上下に伸びる方向をＺ軸方向となっている。Ｚ軸についての回転方向は図１においてθとする。
【００２１】
測定装置は重ね合わせずれ量を測定する、即ち、ウエハ２のように基板上に形成された重ね合わせマーク１の、露光時のアライメントにおける位置ずれ量を測定する。ウエハ２には多くの重ね合わせマーク１ａ及び１ｂがある。重ね合わせずれ量測定の間、ウエハ２はステージ３の上に置かれる。ステージ３はＸとＹ方向に可動可能で、θ方向（Ｚ軸中心に）に回転可能である。よって、ゼロ度と１８０度の回転でウエハの重ね合わせずれ量を測定することが出来る。
Ｘ−Ｙポジション測定装置４は通常のやり方で重ね合わせマーク１のＸ−Ｙ座標を測定する。
【００２２】
ステージ３は更にフォーカス移動装置５により上下に（Ｚ軸に沿って）可動可能である。フォーカス移動装置５はＺ軸方向における前記ウエハの位置を測定するためのリニアスケール６を含む。フォーカス移動装置５は６μｍの領域を0.01μｍの精度（零位置から＋３μｍで、零位置から−３μｍ）でステージ３を動かすことができる。
当該装置は光源１１（ハロゲン光源）、コンデンサレンズ１２及びハーフプリズム１３を有する照明光学系１０を有している。平行照明光束はハーフプリズム１３に入射して、ハーフプリズム１３で反射され、その光は下方に出射される。そして対物レンズ１４により集光される。集光された照明光束１５は、ウエハ２の上に配置された重ね合わせマーク１の上に落射する。
【００２３】
この装置は対物レンズ１４と結像レンズ２１を含む結像光学系２０を有する。重ね合わせマーク１からの反射光束１６は結像光学系２０を介して撮像素子２２（ＣＣＤカメラ）に導かれる。反射光束１６は対物レンズ１４により平行光束にされて、ハーフプリズム１３を通過した後、結像レンズ２１により撮像素子２２上に集光される。
【００２４】
画像処理装置２３は、撮像素子２２で得られた重ね合わせマーク１の画像より、図９（ｂ）に図示した中間点５４Ｃ及び５５Ｃを求め、次にＸ方向における重ね合わせずれ量を演算する。同じ方法がＹ方向における重ね合わせずれ量を演算するためにも使用される。ハーフプリズム１３から出る反射光束２５を分離するために、ハーフプリズム１３と結像レンズ２１との間にハーフプリズム２４を置く。自動焦点装置７４はハーフプリズム２４、２重楔プリズム２６及びリニアＣＣＤ２７を含む。２重楔プリズム２６を通過した光束は２つの光束２８ａと２８ｂに分離される。フォーカス移動装置５がステージ３を上下に動かす場合、反射光束２５の平行性は変化し、光束２８ａと２８ｂとの角度２９は小さくなるか、あるいは大きくなる。リニアＣＣＤ２７は光束２８ａから光束２８ｂまでの距離を測定し、合焦位置として最良のＺポジションを固定する（以降、合焦位置をＡＦ=０ポジションと称する）。
【００２５】
ＴＩＳを求めるため、当該装置はウエハ２をθ＝０度方向に置いた状態で重ね合わせマーク１の重ね合わせずれ量を測定し、次に、ステージ３を使ってウエハ２を回転させ、ウエハ２をθ＝１８０度方向に置いた状態で重ね合わせマーク１の重ね合わせずれ量を測定する。θ＝０度方向に置いた状態のＸ軸方向の重ね合わせずれ量Ｍ(０)と、θ＝１８０度方向に置いた状態のＸ軸方向の重ね合わせずれ量Ｍ(１８０)を求め、前述の式(１)と式（２）を用いて、Ｘ軸方向におけるＴＩＳとＴＣＶとを求める。同様にして、Ｙ軸方向におけるＴＩＳとＴＣＶも求める。
【００２６】
図２は基板層の断面図で、重ね合わせマークを示す。一般的に、重ね合わせマークから出た回折光は、例えば光の波長λ、光学材料の屈折率ｎ、回折角φ、マークの高さｈ、マークの幅ｐ、マークのテイパー（先細り）角φ１及びφ２、及びマークの底の周縁部の丸みｒ１、ｒ２のような種々のパラメータの影響を受ける。回折光は対物レンズ１４により平行化されて、撮像素子２２上に結像する。
【００２７】
図３（ａ）はライン５３（図９（ａ）に図示）上の断面図とＣＣＤ出力信号波形５６を示す。外マーク６１は処理層６０（ポリシリコン、アルミニウム等）に形成され、内マーク６２（フォトレジスト層）は処理層に形成される。理想的には、左側外マーク６１Ｌと右側外マーク６１Ｒの両方が垂直ライン６３Ｌと６３Ｒに対して対称になれば、その結果、回折光６４Ｌと回折光６４Ｒは垂直ライン６３Ｌと６３Ｒに対して対称となる。従って、重ね合わせずれ量を正確に測定することができ、重ね合わせずれ量はいかなるＷＩＳも含まない。
【００２８】
また、フォーカス移動装置５がＺ軸に沿って上下にウエハを動かした場合でも、中間点５６Ｃ（信号５６Ｌと５６Ｒから求める）は変化しない。つまり、重ね合わせずれ量の測定値は合焦範囲内では、安定である。
【００２９】
しかし実際の場合において、例えばＣＭＰ処理後、図３（ｂ）で図示した通り、断面形状は傾いている。傾いたマーク６５Ｌから発散された回折光６６Ｌと傾いたマーク６５Ｒから発散された回折光６６Ｒは垂直ライン６７Ｌと６７Ｒに対して非対称である。更に、回折光６６Ｌの波面６８Ｌ及び回折光６６Ｒの波面６８Ｒは偏心している。従って、ＣＣＤ出力信号波形５７の信号５７Ｌと信号５７Ｒは理想的信号位置５６Ｌと５６Ｒ（理想的波形は図３（ｂ）の点線で示す）からずれている。従って、中間点５７Ｃは理想的中間点５６Ｃからずれている、即ち、ＷＩＳにより重ね合わせずれ量を高精度で測定することができない。更に、フォーカス移動装置５がＺ軸に沿ってウエハを上下に動かした場合、中間点５７Ｃは変化する。即ち、重ね合わせずれ量の測定値は合焦範囲内で、安定しない。
図４（ａ）は１つの重ね合わせマークに対しての焦点位置を変化させた場合のＴＣＶの変化を示す図である。図４において、水平軸は焦点位置（値０はＡＦ＝０）、垂直軸はＴＣＶを示す。図４（ｂ）は同じ重ね合わせマークに対しての焦点位置を変化させた場合のＴＩＳの変化を示す図である。図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、ＴＣＶは合焦範囲内で焦点位置を変化させると変化するが、ＴＩＳは焦点位置を変化させても安定しているようである。従って、このウエハはＷＩＳの影響を受けていることになる。
【００３０】
焦点位置を変化させた場合にＴＣＶがばらつく場合は、そのウエハがＷＩＳの影響を受けるウエハであると考えられる。本実施形態によれば、ウエハ上の重ね合わせマークの位置に応じて、焦点位置を変化させた場合のＴＣＶのばらつきを観察することができる。これは、ＣＭＰと蒸着法による条件がウエハ上の位置により変わり、そのことがＷＩＳを引き起こすと考えられる。
【００３１】
本実施形態によれば、焦点位置を変化させた場合のＴＣＶのベクトルマップを解析することが可能である。このようなベクトルマップを解析するためには、d/dzＴＣＶを求めて評価する。このd/dzＴＣＶは合焦位置Ｚの変化におけるＴＣＶの変化量で、次の式（３）で与えられる。
【００３２】
d/dzＴＣＶ＝(ＴＣＶ(ｚ2)−ＴＣＶ(ｚ1))/(ｚ2-ｚ1)    ・・・式（３）
ここで、ＴＣＶ(ｚ1)とＴＣＶ(ｚ2)はｚ＝ｚ1及びｚ＝ｚ2のときのそれぞれのＴＣＶの値である。d/dzＴＣＶのベクトルは以下の４つの値で規定される
Ｘ軸方向におけるd/dzＴＣＶ
Ｙ軸方向におけるd/dzＴＣＶ
ｘとｙの座標値
本実施形態では、d/dzＴＣＶのベクトルマップを基板上の幾つかの位置の重ね合わせマークに対して求めて、表示することができる。
【００３３】
図１に戻り、画像処理装置２３で求められた重ね合わせずれ量はＴＩＳ演算装置３０に入力される。ＴＩＳ演算装置３０は、前述の式（１）を使ってＸ軸方向とＹ軸方向の両方向用のＴＩＳ値を求める。ＴＣＶ演算装置３１は前述の式（２）を使ってＸ軸方向とＹ軸方向の両方向用のＴＣＶ値を求める。
【００３４】
次に、d/dzＴＩＳ演算装置３２は、ＴＩＳ情報とリニアスケール６から得られるＺ方向位置情報に基づいて、Ｚ方向位置の違いによるＴＩＳ値の差（合焦位置変化に応じたＴＩＳ値の変化）を求める。d/dzＴＣＶ演算装置３３は、ＴＩＳ情報とリニアスケール６から得られるＺ方向位置情報に基づいて、前述した式（３）を用いて、Ｚ方向位置の違いによるＴＣＶ値の差（合焦位置変化に応じたＴＣＶ値の変化）を求める。
【００３５】
d/dzＴＩＳベクトルマップ解析装置３４、d/dzＴＣＶベクトルマップ解析装置３５、およびＴＣＶベクトルマップ解析装置３６はそれぞれ、d/dzＴＩＳベクトルの傾向、d/dzＴＣＶベクトルの傾向、ＴＣＶベクトルの傾向を解析する。さらに、d/dzＴＩＳベクトルマップ解析装置３４、d/dzＴＣＶベクトルマップ解析装置３５、そしてＴＣＶベクトルマップ解析装置３６は同時に幾つかの統計パラメータを演算する。画像表示装置３７はベクトルマップと統計的解析結果を図５〜図７に示すように表示する。これらの解析と演算はＸ-Ｙポジショニング装置４により出力されたＸとＹの座標値に基づいて行われる。特に、ＴＣＶベクトルマップ解析装置３６は、既存の測定装置の場合と同じ演算手順を使って統計パラメータ７０(図５参照)を演算する。それは、パラメータ７０、重ね合わせずれ量そしてＸとＹの座標値に関しパラメータの式を解く。統計パラメータ７０は露光工程におけるアライメント誤差値としてフィードバックされる。
【００３６】
単一の焦点位置（ＡＦ＝０）でＴＩＳ及びＴＣＶを求める既存の測定装置が、統計パラメータ及び重ね合わせずれ量（ＴＣＶ）を示すベクトルマップを求め、出力する。統計パラメータが４つだけであるとしても、図６〜図７に示すように、他の４つのパラメータの代わりにゼロの値を使い、同じ式を使う。よって、ベクトルマップ生成ハードウエアとソフトウエアに提供される従来とは異なるデータ（この実施形態での焦点位置の変化に対するＴＩＳの変化量及びＴＣＶの変化量のデータ）で、ベクトルマップ生成用の既存のハードウエア及びソフトウエアを活用して、焦点位置の変化に対するＴＩＳの変化量及びＴＣＶの変化量のベクトルマップを求めることが出来る。
【００３７】
図５〜図７は、画像表示装置３７に表示される特定の工程（以下工程Ａと称す）によって処理されたウエハ用のＴＣＶベクトルマップ、d/dzＴＩＳベクトルマップ及びd/dzＴＣＶベクトルマップをそれぞれ示している。ベクトルは、それぞれの測定位置（Ｘ，Ｙの座標値で示される）と測定値あるいは変化量の大きさで示される。画像表示装置３７はまた、ベクトルマップの右側に統計的に解析されたパラメータの結果を表示する。d/dzＴＩＳとd/dzＴＣＶの統計パラメータの寸法はマイクロメータによって測定されたオリジナルの寸法で、単位は、例えば平行移動成分はμm/μm、回転成分はμrad/μmである。d/dzＴＩＳとd/dzＴＣＶの情報は、式（３）で与えられる様に、焦点の変化に対する感度を表す。
対物レンズ１４のＮＡ（開口数）を大きくすることは望ましくない。何故ならＮＡが大きいレンズはＷＩＳに敏感過ぎ、膜厚の厚い重ね合わせマークに対する重ね合わせ測定性能を低下させるからである。一つの好ましい実施の形態によれば、対物レンズ１４のＮＡは０．５であった。
【００３８】
図６を図７と比較すると、図６のd/dzＴＩＳベクトルは極僅かな平行移動の傾向を示すのに対して、図７のd/dzＴＣＶベクトルは、遥かに大きくて、同ベクトルは回転傾向(反時計回りに)と拡大傾向（つまり、ウエハ中心の方がベクトルが小さくなる）を示している。そして、回転傾向が拡大傾向より大きいことが分かる。従って、工程Ａにより処理されたウエハはＷＩＳの影響を受けており、大きな回転傾向と小さな拡大傾向を含んでいる。重ね合わせずれ測定装置のユーザは、表示された図６と図７のベクトルマップを観察することにより、これらの結論を出すことが出来る。
【００３９】
このように、d/dzＴＣＶのベクトルマップはＷＩＳを映し出す。即ち、d/dzＴＣＶのベクトルマップが回転方向を示す場合、回転のＷＩＳの影響を受けている基板であると言える。d/dzＴＣＶのベクトルマップをd/dzＴＩＳのベクトルマップと比べることにより、ＴＩＳとＷＩＳを区別することが出来る。例えば、d/dzＴＣＶのベクトルマップとd/dzＴＩＳのベクトルマップの両方が同じ方向要素を示す場合、ウエハはＷＩＳの影響を受けていないと判断することが出来る。しかし、d/dzＴＩＳのベクトルマップが方向的要素を示し、d/dzＴＣＶのベクトルマップが倍率（拡大、縮小）要素を示す場合、前記ウエハは倍率のＷＩＳの影響を受けていると判断出来る。
【００４０】
d/dzＴＩＳベクトルをd/dzＴＣＶベクトルと比較することで、観察された異なる傾向に起因するＷＩＳを特徴付けすることが容易となる。一般的に焦点位置の変化に対するＴＩＳ値が安定していない場合、ＴＩＳは基板上の重ね合わせマークの位置等とは無関係にリニアな変化をする。何故なら、ＴＩＳは照明光がテレセントリックでない場合もしくは、光学系が基板に垂直でない場合に生じるからである。そのような場合、d/dzＴＩＳベクトルベクトルマップは平行移動傾向を有しはするが、拡大傾向や回転傾向は示さない。一方、ＷＩＳが存在する場合、ＷＩＳのd/dzＴＣＶベクトルマップは拡大傾向もしくは回転傾向を示すが、平行移動傾向を有することはほとんどない。
【００４１】
より高いＷＩＳ特徴化性能を得るために、好ましい実施の形態は図１に概略的に示す比較装置８０を含む。比較装置８０はd/dzＴＩＳベクトルマップの統計パラメータ７１をd/dzＴＣＶベクトルマップの統計パラメータ７２と比較する。実際のウエハの結果によれば、本実施形態の装置ではＺ位置を１μm変えて、約１nmの差を測定することが可能である。即ち、d/dzＴＩＳ＝0.001μm/μm またはd/dzＴＣＶ＝0.001μm/μmが測定可能である。従って、比較装置８０は統計パラメータ第一ステップで、値が0.001以上か否かに基づいてベクトル傾向を決める。例えば、図６に示す統計パラメータ７０においては、両パラメータ＞0.001によりd/dzＴＣＶベクトルマップは、拡大傾向と回転傾向を示す。比較装置８０は各傾向の結果を比較する、即ち、d/dzＴＩＳの平行移動傾向をd/dzＴＣＶの拡大傾向及び回転傾向と第２ステップで比較する。しかるに、比較装置８０は基板がＷＩＳの影響を受けていることを自動的に判断する。
【００４２】
通常の処理においては、比較装置８０は、ＴＣＶベクトルマップ解析装置によって演算された統計パラメータ７０を、露光工程で用いるアライメント制御用の制御装置にフィードバックする。フィードバックされたマークの位置ずれの傾向の情報に基づいて、露光工程において次の層を生成する場合のアライメント制御の補正を行うためである。しかしながら、ウエハがＷＩＳの影響を受けている場合、そのウエハでの測定値は信頼性が低く、その測定値から演算した統計パラメータの信頼性は低いと考えられる。その統計パラメータに基づいてアライメント制御の補正をしてもよい結果が望めないことになる。そこで、比較装置８０は、上記のように基板がＷＩＳの影響を受けていると判断した場合は、そのウエハ（あるいはそのウエハのロット）の測定値に基づいて得られた統計パラメータをアライメント制御用の制御装置にフィードバックしないこととする。そしてこの場合、ＡＥＩによってＷＩＳ値を測定して、測定値を補正することが望ましい。
【００４３】
本実施形態により実際の処理ウエハを解析した結果によれば、ウエハがＣＭＰ処理をなされた後にはウエハに回転傾向のＷＩＳが存在し、そして蒸着処理をなされた後には、ウエハに拡大傾向のＷＩＳが存在することがわかっている。処理条件は不意に変化することもある。つまり、研磨したＣＭＰ及び蒸着対象の寿命は変化する。本実施形態はこのような処理条件の変化により生じるＷＩＳの変位を監視するための監視方法を提供する。ロット毎にウエハを監視することにより、d/dzＴＩＳベクトルマップに変化がなくともd/dzＴＣＶベクトルは、図８で示すようにそのサイズが増加することを観察することが可能となる。実際には、統計パラメータ７３、即ち、図８に示す拡大傾向と回転傾向は統計パラメータ７２より２倍の大きさである。このことは、ＷＩＳ傾向が変化しており、よってＷＩＳ値（例えば、ＡＥＩを使って）を測定し、それに基づいて処理条件を変えることが望ましいことを意味する。
【００４４】
このように、本実施形態では、ＷＩＳの変位を監視することができる。半導体素子を安定的に製造するためには多くの工程を制御する必要がある。例えば、膜の積層厚さ、蒸着の条件、化学機械研磨（ＣＭＰ）条件その他を制御する必要がある。しかしながら、予期せぬ変化が発生することがあり、例えば、ＣＭＰによる研磨のされ具合に変化が起こったり、蒸着材源の増減により蒸着の効率が低下したりすることがある。精度を上げるためには、ＷＩＳを定期的に測定し、それに基づいて測定値を補正する必要がある。本実施形態では、このような予期せぬ変化を検出することが出来る。もしも、このような予期せぬ変化を検出しない場合、同じ補正値が次のＷＩＳ評価時期が来るまで何回も継続使用されることにより、過剰なＷＩＳ補正あるいは過小なＷＩＳ補正が発生する。これは大きなアライメント誤差に繋がり、重ね合わせ誤差が許容範囲を超えてしまう。
【００４５】
次に、本実施形態を大量生産ラインに応用する一例を説明する。前述した通り、ＴＩＳを測定し、しかるに各ロットにおける３つのウエハ用（例えば、第１、第１０及び第２０番目のウエハ）にＴＣＶを求めるのが一般的である。本実施形態を使用する一例によれば、ＷＩＳは各ロットの１枚のウエハの特徴を示している。例えば、ＴＩＳ測定に通常使われるウエハの一つに対して異なる焦点位置で測定することにより、焦点位置の変化によるＴＩＳの変化、ＴＣＶの変化を演算するために使用するデータを得る。この手順例は以下の通り：
（１）２つのＺ位置、例えばｚ＝０とｚ＝＋1.0μｍにおいてロット単位で測定されるべき３つのウエハの内の第1のウエハに対して、フォーカス移動装置５を使いＺ位置を変えて測定する。
（２）ロット単位で測定されるべき第２及び第３（上述の通り、これらは実際にはロット中第１０及び第２０番目でもよい）のウエハをｚ＝０の位置でのみ測定する。
（３）ＴＣＶベクトルマップ解析装置３６はＴＣＶベクトル傾向を解析し、ｚ＝０の位置で前記３つの測定されたウエハのそれぞれの統計パラメータを演算する。画像表示装置３７は前記３つのウエハのベクトルマップと統計解析の結果を表示する。
（４）d/dzＴＩＳ演算装置３２は、測定された第１ウエハのＴＩＳ（ｚ＝＋1μｍ）とＴＩＳ(ｚ＝０)とで減算を行う。d/dzＴＣＶ演算装置３３は、測定された第１ウエハのＴＣＶ（ｚ＝＋1μｍ）とＴＣＶ(ｚ＝０)とで減算を行う。画像表示装置３７は、焦点位置の変化によるＴＩＳの変化量及びＴＣＶの変化量のベクトルマップと、前記測定された第１ウエハ用の統計結果を表示する。
【００４６】
従って、d/dzＴＣＶベクトルマップは各ロット中の一つのウエハ毎に決められて表示され、その結果オペレータはロット単位でＷＩＳを監視することが出来る。ウエハの各ロット用にd/dzＴＣＶとd/dzＴＣＶを測定することにより、当該装置でＷＩＳのロット間の変位を監視することが出来る。したがって、ロット間の予期せぬ変化を検出することができる。ＷＩＳの変化を検出した場合に、ＡＥＩを行うことにより、ＷＩＳ補正値を求めればよい。所定量以上の変化が検出されない場合、ＷＩＳ補正値を求める必要はない。
【００４７】
焦点位置の変化による変化量は概ね小さい（例えば、ｚ＝０とｚ＝＋1μｍで５nmの差）。しかし、本実施形態の装置は測定精度が１nm以下であるため、この小さな差を測定することが出来る。然るに、前記（１）から（４）の手順に従って、ＷＩＳの監視が演算装置以外他に何の装置も必要なく、通常の重ね合わせ測定と同時に出来る。
【００４８】
前述の通り、本実施形態はウエハだけでなく、色々な種類の基板の測定に応用可能である。基板は、例えば、シリコン基板、シリコン以外の材料からなる半導体ウエハ、硝子基板若しくは石英基板でもよい。
【００４９】
図示した実施の形態において、幾つかの演算装置（装置２３、３０から３６及び８０（設けて有れば））は、好ましくは相応にプログラムされた汎用コンピュータ、即ち、マイクロコントローラもしくは他の処理装置（中央演算装置またはマイクロ演算装置）を使って行なわれる。全体のシステムレベル制御用のメイン若しくは中央演算部と、中央演算部の制御下で種々の異なる特定の演算、機能及びその他処理専用の別機能とを有する単一の特化した目的を持つ集積回路（即ち、特定用途向け集積回路）として演算装置を行うことが可能なことは当業者に容易であろう。演算装置（コントローラと称することも出来る）を、複数の別個の専用もしくはプログラム可能な集積回路もしくは他の電子回路または素子（すなわち、ログラムが組み込まれた電子回路もしくは論理回路、またはPLD，PLA，PAL等のプログラム可能な論理回路）を使って行うことも可能である。前記コントローラは、一つまたはそれ以上の周辺（即ち集積回路）データと信号処理装置と連動して相応にプログラムされた汎用コンピュータを使用して行うことも出来る。
【００５０】
一般に、前述のような手順を実行可能な装置もしくは装置の組み合わせを本実施形態の演算装置・コントローラとして使用することが出来る。
以上のように、好ましい実施の形態を参照して本発明を説明して来たが、本発明はこの実施の形態や構成に限定されるものでない。本発明は種々の変更及び同等な構造を有する装置を含む。
【００５１】
本実施形態においては、図９に示すような形状の重ね合わせマークを用いて重ね合わせ測定を行うこととしたが、マークの形状は他の形状でもよい。たとえば、出願人は、他の形状のマークとして、特開２００４-３２７８１７号公報に示すような、十字形状の重ね合わせマークを提案している。本実施形態は、このような形状のマークを用いて重ね合わせ測定を行っても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態の一つである重ね合わせ測定装置の構成を示す図である。
【図２】重ね合わせマークから出る回折光を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は、理想的な重ね合わせマークの断面図と、そのマークの信号波形を示す図であり、図３（ｂ）は、ＷＩＳの影響を受ける重ね合わせマークの断面図と、そのマークの信号波形を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、焦点位置の変化に対するＴＣＶの変化を示す図であり、図４（ｂ）は、焦点位置の変化に対するＴＩＳの変化を示す図である。
【図５】ウエハ上での各測定位置における重ね合わせずれの測定値のベクトルを示す図である。
【図６】ウエハ上での各測定位置における、焦点位置の変化に対するＴＩＳの測定値の変化のベクトルを示す図である。
【図７】ウエハ上での各測定位置における、焦点位置の変化に対する重ね合わせずれ重ね合わせずれの変化のベクトルを示す図である。
【図８】異なるロットのウエハ上での各測定位置における、焦点位置の変化に対する重ね合わせずれ重ね合わせずれの変化のベクトルを示す図である。
【図９】図９（ａ）は、従来の重ね合わせマークを示す平面図であり、図９（ｂ）は重ね合わせ測定装置の撮像素子（ＣＣＤ）から出力された信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：重ね合わせマーク、２：ウエハ、３：ステージ、４：Ｘ−Ｙポジション測定装置、５：フォーカス移動装置、６：リニアスケール、１０：照明光学系、２０：結像光学系、２２：撮像素子、２３：画像処理装置、３０：ＴＩＳ演算装置、３１：ＴＣＶ演算装置、３２：d/dzＴＩＳ演算装置、３３：d/dzＴＣＶ演算装置、３４：d/dzＴＩＳベクトルマップ解析装置、３５：d/dzＴＣＶベクトルマップ解析装置、３６：ＴＣＶベクトルマップ解析装置、３７：画像表示装置、７４：自動焦点装置、８０：比較装置。
【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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