(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系を有し、基板の各ショットを前記投影光学系に対してその光軸に垂直な方向においてアライメントし、アライメントされた前記各ショットに原版のパターンを前記投影光学系により投影して前記各ショットを露光する投影露光装置において、ショットに形成されたアライメントマークを検出するアライメント検出器と、一部のショットそれぞれに対して前記アライメント検出器の検出結果により求められたアライメントマークの位置に基づいて各ショットの位置を推定する制御手段と、前記アライメントマーク近傍の面の傾きの情報を得るフォーカス検出系と、前記アライメントマークを形成するために露光されたときの当該アライメントマーク近傍の面の傾きを記憶する記憶手段と、を有し、前記制御手段は、前記各ショットの位置の推定に先立って、前記フォーカス検出系により求められた前記傾きと前記記憶手段に記憶された前記傾きとの差分に基づいて、前記一部のショットそれぞれに対して求められた前記アライメントマークの位置を補正する、ことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
前記フォーカス検出系は、前記アライメント検出器に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】
前記フォーカス検出系は、アライメントマークを形成するために露光すべき面の傾きの情報をさらに得る、ことを特徴とする請求項１または２に記載の投影露光装置。
【請求項４】
投影光学系を有し、基板の各ショットを前記投影光学系に対してその光軸に垂直な方向においてアライメントし、アライメントされた前記各ショットに原版のパターンを前記投影光学系により投影して前記各ショットを露光する投影露光装置において、前記基板に形成されたアライメントマークを検出する検出器と、前記検出器に設けられ、前記アライメントマーク近傍の面の高さと傾きとの情報を得る検出系と、を有し、前記検出系により求められた前記傾きに基づいて、前記検出器の検出結果により求められた前記アライメントマークの位置の補正を行なう、ことを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】
投影光学系を有し、第１パターンが露光により転写された基板の各ショットを前記投影光学系に対してその光軸に垂直な方向においてアライメントし、アライメントされた前記各ショットに原版の第２パターンを投影光学系により投影して前記各ショットを露光する投影露光装置において、前記各ショットの高さおよび傾きの情報を得るフォーカス検出器と、前記第１パターンの転写のための露光における前記各ショットの傾きを記憶する記憶手段と、を有し、前記フォーカス検出器により求められた前記傾きと前記記憶手段に記憶された前記傾きとの差分に基づいて、前記アライメントのための前記各ショットの位置を補正する、ことを特徴とする投影露光装置。
【請求項６】
前記補正の量を記憶し、記憶された前記補正の量に基づいて、前記基板に次層を形成するための露光における各ショットのアライメントを行う、ことを特徴とする請求項５に記載の投影露光装置。
【請求項７】
前記フォーカス検出器は、アライメントマークを形成するために露光すべき面の傾きの情報をさらに得、前記フォーカス検出器により求められた該傾きを記憶し、記憶された該傾きにも基づいて、前記基板に次層を形成するための露光における各ショットのアライメントを行う、ことを特徴とする請求項６に記載の投影露光装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の投影露光装置を用いて基板を露光する工程と、前記工程で露光された基板を現像する工程と、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原版のパターンを基板に投影して該基板を露光する投影露光装置ならびにデバイス製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスや液晶ディスプレー等の微細パターン形成工程には、一般にフォトリソグラフィと呼ばれる投影転写技術が利用されており、この投影転写は次のように行なわれている。レチクルまたはマスクと呼ばれる石英ガラス基板上に形成された原版パターンが照明され、投影光学系を介して、感光性レジストが塗布された半導体ウエハまたは液晶用ガラス基板等の基板に潜像パターンを転写露光する。潜像パターンはレジストパターンに現像された後に、パターンとレジスト下地面との加工選択比が高いエッチング加工により基板が微細加工される。
【０００３】
このような微細パターン形成工程において、特に高い微細度と加工精度が要求される最新のＭＰＵやＤＲＡＭに代表される半導体デバイス製造における投影露光工程では、ステッパと呼称される縮小投影型露光装置が主に利用されている。ステッパは、ウエハ上に等分分割された露光領域（露光ショット）をウエハ搭載ステージにより投影光学系の下の露光画角内へ順次移動させてパターン露光を繰り返し行なう、いわゆるステップ・アンド・リピート方式の露光装置である。
【０００４】
また、スキャナと呼称されるステップ・アンド・スキャン方式の露光装置は、矩形状の照明領域を持つ投影光学系に対し、ウエハおよびレチクルを走査露光する方式であり、ステッパと比べて露光画角が広く、パターン均一性が高いことを特徴とする。
【０００５】
ところで、これらのステッパとスキャナのいずれの装置においても、近年の半導体微細化要求に答えるべく、投影光学系の解像力の向上が求められており、様々な手法が開発され製品に適用されている。
【０００６】
解像力を向上すべく投影光学系に対してこれまでに行なわれてきた手段としては、例えば、波長を固定して投影光学系のＮＡを大きくする手法や、ｇ線からｉ線、さらにＫｒＦあるいはＡｒＦエキシマレーザの発振波長というように露光波長をより短波長化する手法である。また、照明光源の形状を変え、斜入斜照明光を強調する変形照明法や、隣接するレチクルパターン間の透過光に位相差を設ける位相シフトマスク等により光露光による加工限界を拡げる試みが行なわれている。
【０００７】
このような解像力向上に伴なって、半導体プロセスの制御精度がますます厳しくなる一方で、例えば投影光学系の焦点深度やトータルオーバーレイの許容量など、いわゆるプロセスマージンが減少してきている。他方、解像力向上とは別に、オーバーレイ精度自身の向上も要求されている。その理由は、オーバーレイ精度が高まりパターンの配置マージンが軽減してデバイスサイズの縮小が可能となり、基板単位でのデバイス収率が上がる結果、コストダウンが図れるためである。
【０００８】
投影露光装置は、これらの要求に答えるべく、露光フォーカスシステムとオーバーレイ精度に直接関わるアライメントシステムの改良が行なわれている。以下に、その露光フォーカスシステムの従来例について簡単に説明し、次いでオーバーレイ精度に関わるアライメントシステムについて説明する。
【０００９】
露光フォーカスシステムにおけるフォーカス検出器は、検出面に対してプローブ光を斜入射させ反射光の集光位置より検出を行なうオフ・アクシス型のものが一般的であり、検出器は通常投影光学系の像面周辺に固設されている。ステッパにおいては、露光ショットを露光画角内に位置決めした後に、検出器で測定されたウエハ面の高さと傾斜量に基づいて、ウエハステージを上下および傾斜駆動（フォーカシング）させ、投影レンズの結像平面と転写領域の被結像平面とを一致させて露光を行なう。スキャナにおいては、この測定とフォーカシングが走査露光と同時に行なわれている。
【００１０】
ウエハアライメントがオーバーレイ精度の支配的要因であることは論を待たない。アライメントシステムは、ウエハ上に形成されたアライメントマークを計測するアライメント検出器と、位置計測値を所定の方法により処理した結果に従って各ショットを露光位置に位置決めするアライメント手段から構成されている。前者のアライメント検出器は、露光ショットに隣接して形成されたアライメントマーク位置より該当ショット位置を計測する。検出方式としては、投影光学系を介して位置計測するＴＴＬ方式や投影光学系を介さないオフ・アキシス方式がある。検出時には両方式ともにウエハ上のアライメントマークを検出面と一致させるいわゆるフォーカス動作が必要であり、検出面高さの計測は前述した投影光学系のフォーカス検出器を併用するもの、あるいはアライメント検出系自身にフォーカス検出手段を併せもつもの等がある。
【００１１】
アライメント手段としては、各露光ショットごとに露光位置を計測して位置合わせを行なうダイバイダイ方式があるが、現在一般によく用いられているのは、グローバルアライメントと呼ばれるアライメント方式である。この方式は、予め指定された適切な数のサンプルショットの位置計測を行ない、その結果から位置に対する線形補正式を作成して全ショット位置を推定し位置合わせを行なう手法である。グローバルアライメントによる位置補正式によって、ウエハシフト成分のみならず、ショット配置に関るウエハ全体の倍率、直交性、回転の補正が可能であり、さらに計測点によってはショット自身の倍率、回転も補正が可能である。このようにグローバルアライメントは高スループット、高精度の位置合わせが得られるなどの優れた点がある他、ウエハ全域に対して同一の補正式に従った位置合わせを行なうため、基板内の数点を測定すれば位置合わせの状態が判断できるなどの使い勝手の上でも利点がある。
【００１２】
一方、被露光ショット間相互の位置偏差が位置に対して線形性がない場合、つまり非線形性をもつ場合、線形補正量から乖離する非線形偏差が直接アライメント誤差となり、オーバーレイ精度を悪化させる。また、サンプルショット位置に非線形偏差が発生している場合は、サンプルショット位置から算出する線形補正式に誤差を与える。従って、オーバーレイ精度を向上させる上で、被露光ショット間相互の非線形偏差の軽減は重要な課題である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、オーバーレイ精度が厳しくなり、前述の非線形偏差を軽減する必要性がますます高まってきており、抑制すべき非線形偏差発生の原因となる要因因子の対象範囲も拡がりつつある。特に、最近顕在化してきた要因因子の一つにウエハチャッキング時のウエハ面方向歪みがある。これは、ウエハ面内において局所的な伸び縮みが発生して、被露光パターンやアライメントマークの位置がシフトする現象である。
【００１４】
投影露光装置では一般的に平面度を保障したピンコンタクトチャックにウエハを真空吸着して、ウエハの平面矯正を行なっている。しかしながら、ピンとウエハ間に異物の挟入、あるいはＣＶＤ等の成膜プロセスを経てウエハ接触面の凹凸形状が堆積物で変化した場合、また、露光プロセスを経る度にウエハとチャックの位置関係が変わるのに伴ないピンとウエハの凹凸形状の接触状態が変わる場合等において、ウエハ接触面の吸着反力に応じて発生する曲げモーメントによりウエハに歪みが発生する。このときのウエハ内の歪み分布にしたがって、被露光ショット間相互の非線形シフトが発生し、オーバーレイ精度が悪化する。
【００１５】
このような非線形シフトが発生する理由について図６を用いて説明する。
【００１６】
図６は、ピンコンタクトチャック上のウエハが異物の挟入により歪みが発生している状態を示す図であり、Ｐ１、Ｐ２…はピンコンタクトチャックのピン、Ｗは厚さ２ｈのウエハ、ＤはピンＰ２とウエハＷの間に挟入された異物であり、ピン高さ基準面はＯ−Ｒで示し、ここで問題とする検査面をＢ−Ｂ１面とする。ウエハＷは、異物Ｄの挟み込みがない場合には、ピンＰ１、Ｐ２…に保持されて平面に維持され、ピンＰ１上の面Ｏ−Ｏ１、検査面Ｂ−Ｂ１、およびピンＰ２上の面Ａ−Ａ１は互いに平行となるけれども、ピンＰ２上に異物Ｄの挟み込みがある場合には、この異物Ｄにより、ウエハＷの支持点であるＯとＡの高さの差による曲げモーメントが発生し、このため、検査面Ｂ−Ｂ１は、Ｏ−Ｏ１面に対して微小角Δθの傾きをもつようになる。なお、図中、ウエハＷの断面中央に位置する一点鎖線で示す面Ｏ２−Ｂ２−Ａ２は、曲げモーメントによって伸縮が発生しない中立面である。ここで、（１）曲げモーメントによるピン高さ基準面方向の距離変化はΔθの２次以上のオーダーより無視し、（２）Ｂ−Ｂ１は中立面Ｏ２−Ｂ２−Ａ２に対して直交する（Bernoulli-Navierの仮説）とすると、異物Ｄの挟み込みにより発生するシフトΔｒは、次式で表せる。
Δｒ＝ｈ×Δθ
【００１７】
微小角Δθは、ピン高さ基準面Ｏ−Ｒ、つまりチャック基準面に対するウエハ面の傾きを表している。したがって、微小角Δθが例えばアライメントマーク面で検出されれば、上記の非線形シフト量を算出して計測値より減算することにより、正確なショット位置線形補正式を得られ、アライメント精度が向上する。
【００１８】
ところで従来の露光装置におけるアライメントシステムでは、以下のような問題があった。
【００１９】
(1)
従来の露光装置においては、アライメントマーク近傍面の微小角Δθを検出する機能を備えていない。
【００２０】
(2)
また、アライメントマーク近傍面の微小角Δθは、露光面検出用のフォーカスシステムで計測することは一応可能であるが、アライメント検出系で計測する前にあるいは後にΔθの計測をする場合、アライメントとフォーカスの計測を行なうウエハ位置が異なるため、ウエハをフォーカス計測位置に移動する時間が追加されてしまい、その結果、装置スループットが低下する。
【００２１】
また、露光面検出用のフォーカスシステムは、複数のウエハ高さ測定点間距離を露光ショット領域長程度（１０〜２０ｍｍ）に設けられているために、高々□０．１ｍｍ程度の局所的なアライメントマーク領域の傾きを計測するため、同程度にウエハ位置を変えて複数回計測することが必要となる。この場合、フォーカス計測時間が増大してスループットが悪化する。
【００２２】
(3)
さらに、問題となるのは、アライメントマーク露光形成時とアライメント計測時の非線形な位置偏差である。すなわち、シフト量を補正するための計測対象となるアライメントマーク近傍面の微小角Δθは、アライメントマーク面の形成時傾きΔθｐｒと計測時傾きΔθｐｏの差分である。
【００２３】
したがって、アライメントマーク形成時にΔθｐｒを測定して、Δθｐｒを履歴値として保存し、アライメントマークの位置計測時に、Δθｐｒの履歴値を読み出し、このΔθｐｒとΔθｐｏから微小角Δθを算出することが必要である。しかし、Δθｐｒの測定は、前記(1) および(2) で述べたと同様の問題があり、また、従来の露光装置においては、Δθｐｒの保存と読み出しの機能を備えていない。
【００２４】
また、露光ショット位置自身の非線形シフトも、アライメントと同様に、ショット面の微小角Δθａから補正可能であり、実際露光時には露光フォーカスシステムにより微小角Δθａの検出と補正を行なっているが、従来の露光装置においては、微小角Δθａに基づいた露光ショット位置の補正機能がなく、また、前記(3) と同様に、オーバーレイ精度で問題となるのは、正確には被露光ショットのレジスト下地パターンの露光形成時と当該レジストへの露光時の間に発生する非線形シフトである。したがって、計測対象となるショット面の微小角Δθａは、下地パターン露光形成時の露光面傾きΔθａｐｒと当該レジスト露光時の露光面傾きΔθａｐｏの差分である。一方、下地パターン露光形成時にはフォーカスシステムにより被露光面傾きΔθａｐｒを検出補正してはいるが、露光履歴として保存はされていない。したがって、ΔθａｐｒとΔθａｐｏの差分をとって正確なΔθａを算出することはできなかった。
【００２５】
そこで、本発明は、上記の従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、オーバーレイ精度の向上に有利な投影露光装置ならびにデバイス製造方法を提供することを目的とするものである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の投影露光装置は、投影光学系を有し、基板の各ショットを前記投影光学系に対してその光軸に垂直な方向においてアライメントし、アライメントされた前記各ショットに原版のパターンを前記投影光学系により投影して前記各ショットを露光する投影露光装置において、ショットに形成されたアライメントマークを検出するアライメント検出器と、一部のショットそれぞれに対して前記アライメント検出器の検出結果により求められたアライメントマークの位置に基づいて各ショットの位置を推定する制御手段と、前記アライメントマーク近傍の面の傾きの情報を得るフォーカス検出系と、前記アライメントマークを形成するために露光されたときの当該アライメントマーク近傍の面の傾きを記憶する記憶手段と、を有し、前記制御手段は、前記各ショットの位置の推定に先立って、前記フォーカス検出系により求められた前記傾きと前記記憶手段に記憶された前記傾きとの差分に基づいて、前記一部のショットそれぞれに対して求められた前記アライメントマークの位置を補正する、ことを特徴とする。
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
また、本発明の投影露光装置は、投影光学系を有し、基板の各ショットを前記投影光学系に対してその光軸に垂直な方向においてアライメントし、アライメントされた前記各ショットに原版のパターンを前記投影光学系により投影して前記各ショットを露光する投影露光装置において、前記基板に形成されたアライメントマークを検出する検出器と、前記検出器に設けられ、前記アライメントマーク近傍の面の高さと傾きとの情報を得る検出系と、を有し、前記検出系により求められた前記傾きに基づいて、前記検出器の検出結果により求められた前記アライメントマークの位置の補正を行なう、ことを特徴とする。
【００３１】
【００３２】
さらに、本発明の投影露光装置は、投影光学系を有し、第１パターンが露光により転写された基板の各ショットを前記投影光学系に対してその光軸に垂直な方向においてアライメントし、アライメントされた前記各ショットに原版の第２パターンを投影光学系により投影して前記各ショットを露光する投影露光装置において、前記各ショットの高さおよび傾きの情報を得るフォーカス検出器と、前記第１パターンの転写のための露光における前記各ショットの傾きを記憶する記憶手段と、を有し、前記フォーカス検出器により求められた前記傾きと前記記憶手段に記憶された前記傾きとの差分に基づいて、前記アライメントのための前記各ショットの位置を補正する、ことを特徴とする。
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る投影露光装置の一実施例の要部構成を概略的に図示する構成図であり、本実施例の装置は、露光光源にパルス発振型のエキシマレーザを使用したいわゆるステップ・アンド・スキャン方式のスキャナ型投影露光装置である。
【００４１】
図１において、露光光源としてのパルス発振型のエキシマレーザ１から放射された光束は、ビーム整形光学系２により、強度および照明方向が均一な所望のスリット形状の露光光束に整形され、原版としてのレチクル３に入射する。このレチクル３は、基板としてのウエハ６に転写する素子パターンが形成されており、２次元的に移動可能なレチクルステージ４上に載置され、レチクルステージ４とともに位置制御される。
【００４２】
照明されたレチクル３上の素子パターン像は投影光学系５を介して光学的共役面にスリット形状に集光結像される。投影光学系５は、縮小率が例えば１／４または１／５の両側テレセントリック光学系である。また、ウエハ（被露光基板）６は、ウエハステージ７上にウエハチャック７ａを介して保持され、ウエハステージ７とともに位置制御される。ウエハ６上には、予め露光光によって化学反応を効果的に起こす感光材であるフォトレジスト材料が薄く塗布されており、次工程のエッチングマスクとして機能する。
【００４３】
フォーカス検出器８は、光束を放射する投光系８ａとウエハ６からの反射光の位置情報を検出する受光系８ｂとから構成され、ウエハ６の被露光面の面高さや傾きを検出する。走査露光時には、このフォーカス検出器８の検出情報を基に、ウエハステージ７がウエハ６の被露光面をパターン像面と一致するよう制御を行なう。このとき、レチクルステージ４とウエハステージ７は投影光学系５に対し同期走行し、同時に、ウエハ６はスリット光により露光され、ウエハ６上のフォトレジスト層にパターンが転写される。また、アライメント検出器９（図３を参照して後述する）は、ウエハ６のサンプルショットに形成されたアライメントマークの位置を検出し、ウエハステージ７の移動により複数のショット位置を計測し、グローバルアライメントによりウエハを位置決めする。
【００４４】
図１において、１１〜１７は、本実施例の投影露光装置の制御システムを構成する各構成要素で、１１はステージ駆動制御系であり、レチクルステージ４とウエハステージ７を駆動するドライバー機能をもつ。１２は同期制御系であり、露光面位置制御まで含めた走査露光時のレチクルステージ４とウエハステージ７の同期走行制御を行なう。１３はフォーカス計測系であり、フォーカス検出器８から入力されるウエハ高さ情報から被検出面の高さと傾きを算出し、同期制御系１２に出力する。１４はアライメント計測系であり、アライメント検出器９から入力されるアライメントマーク信号からマーク位置の算出を行なう。また、アライメント検出器９に配設されたＡＭフォーカス検出系２６（図３参照）からの検出値からアライメントマーク近傍面の高さと傾きの算出も行なう。１５は主制御部であり、記憶部１６に記憶されているＪｏｂ（ウエハの露光ショットレイアウトや露光量等の露光条件、ウエハやレチクルの情報など露光プロセスに必要な情報ファイル）に従って装置の露光シーケンスを制御する。また、装置の起動停止や装置固有の制御パラメータ、Ｊｏｂ情報の変更修正は、マンマシンインターフェースもしくはメディアインターフェースである入力部１７から主制御部１５に入力され、記憶部１６に記憶される。
【００４５】
次に、以上のように構成された本実施例における各ステージの駆動制御およびフォーカス系について説明する。ここで、投影光学系５の像平面と光軸の交点を座標原点、像平面をＸＹ平面、光軸方向をＺ方向とし、また、走査方向をＹ方向とする。そして、各ＸＹＺ軸の右手系回転方向をωｘ、ωｙ、θ方向とする。
【００４６】
レチクルステージ４は、ＸＹ平面上のＸＹθ軸位置決め制御ができるように構成され、ウエハステージ７は６軸位置決め制御ができるように構成されている。両ステージのアクチュエーター（不図示）はリニアモータであり、ステージ駆動制御系１１より駆動電力が供給される。また、両ステージにはそれぞれステージ位置計測系（不図示）が配設されており、レチクルステージ４にはＸＹθ３軸干渉計、ウエハステージ７にはＸＹＺωｘωｙθ６軸干渉計がそれぞれ配設され、これらの干渉計により計測されたレチクルおよびウエハの両ステージの位置は、ステージ駆動制御系１１に出力され、同期制御系１２で処理された後、ステージ駆動量信号として再びステージ駆動制御系１１に戻り、ステージ駆動電流に変換される。
【００４７】
露光時のＸＹθ方向の位置制御は、一方の対象（マスター）に対して他方の対象（スレーブ）を追従させるマスター・スレーブ方式を採用し、制御帯域がより高いレチクルステージ４をスレーブ、ウエハステージ７をマスターにしてＸＹθ方向の位置ずれを補正する。Ｚωｘωｙ方向の制御は、ウエハステージ７側で行ない、フォーカス計測系１３で算出されるウエハ面の位置傾き補正（Ｚ方向位置や面傾きωｘ、ωｙ）を行なう。
【００４８】
投影光学系５に対するウエハ６の被露光面のＺ方向位置を計測するフォーカス検出器８は、６組の投光系８ａと受光系８ｂが投影光学系５下の露光領域を挟峙するように配設され、投光系８ａからはウエハ６上に塗布されたフォトレジストの非感光波長の検出光を用いた光束がウエハ６に斜入射されてスリット像を形成する。ウエハ６からの反射光は受光系８ｂ内の不図示のＣＣＤ受光センサ面上でスリット像として再結像する。ＣＣＤ受光センサは結像したスリット像の位置を直接測定し、基準位置からの差分からウエハ６上のスリット光とウエハ６の反射面自身の位置を算出する。
【００４９】
フォーカス検出器８における露光スリット光束に対する各６組の投光受光系の計測位置（Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ）は、図２に示すように、露光スリット光束に対し走査方向であるＹ方向に所定の距離だけ離れるように設定されている。このように計測位置を露光スリット光束から所定の距離だけ離しているには、露光に先だって計測を行なう（先読み計測）ことにより、フォーカシングに時間余裕を設けるためであり、また、露光スリット光束に対して対称的に配置することにより、往復走査露光を可能にする。計測を行なう計測スリットは３個を基本組としており（ここでは、Ｆａ，Ｆｂ，ＦｃとＢａ，Ｂｂ，Ｂｃという組み合わせを基本組とする）、露光スリット光束の長手方向であるＸ方向に一致している。また、走査中は計測サンプル時間にしたがって露光ショット内を所定ピッチごとに計測し、各々の検出点でのＺ方向位置情報から露光スリット領域の被検面高さと面傾きの算出を行なう。この算出はフォーカス計測系１３で行なわれ、その算出値は、ステージ干渉計の位置情報と同様に、同期制御系１２にて処理され、処理後も同様にステージ駆動制御系１１によってステージ駆動電流に変換され、ウエハステージ７をＺωｘωｙ方向に駆動制御する。
【００５０】
次に、アライメントシステムについて、アライメント検出器９の概略構成を示す図３を参照して説明する。
【００５１】
アライメント検出器９は、ウエハ６の表面上のアライメントマーク６ａの投影光学系５の光軸に垂直な方向であるＸＹ方向位置の検出とともに、アライメントマーク近傍面の高さと傾き、つまりＺωｘωｙ方向の検出もできるように構成されている。すなわち、アライメントマーク６ａの光軸方向の位置を検出するＡＭフォーカス検出系としての機能を合わせもっている。このアライメント検出器９は投影光学系５を介さずに検出を行なうタイプであり、オフアキシス方式と呼ばれるものである。
【００５２】
光源を含む照明光学系２１から出射した光束は、ライトガイド２２を経由してアライメント検出器９本体に出射され、ビームスプリッター２３で反射し、ミラー２４を経て、ウエハ６上のアライメントマーク６ａを照明する。ウエハ６上のアライメントマーク６ａによって反射した信号光は、再び順にミラー２４を経てビームスプリッター２３に入射する。ビームスプリッター２３に入射した信号光は、ビームスプリッター２３を透過し、ＣＣＤカメラ２５の撮像面２５ａ上にアライメントマーク６ａの像を結像する。ＣＣＤカメラ２５からのアライメントマーク像に基づく画像信号は、アライメント計測系１４に転送され、アライメントマーク像と事前に得たアライメント検出器９内にある基準マーク像（不図示）の両者を比較し、アライメントマーク６ａのＸＹ方向位置を計測する。
【００５３】
また、アライメント検出器９に設けられたＡＭフォーカス検出系２６は、アライメント検出器の対物光軸近傍でアライメントマーク近傍面が検出可能となるよう、光束を放射する投光系２６ａと反射光の位置情報を検出する受光系２６ｂが検出器の対物光軸を挟んで対称に設けられている。これらの投光系２６ａと受光系２６ｂは全体として３個ずつ（不図示）搭載されており、アライメントマーク６ａの近傍面の３点を計測することにより、アライメントマーク近傍面のウエハ面位置（高さ）と傾きが同時に測定可能である。
【００５４】
次に、本実施例における基本シーケンスについて図４に示すフローチャートにしたがって説明する。ここでは、ウエハバルク層から上に向かって順にａｂｃの３パターン層から構成される半導体デバイスの製造プロセスにおけるｂ層を露光する露光シーケンスを例にとって説明する。ｂ層は、ａ層パターンのアライメントマークをターゲットに位置決めされ、また、ｃ層の位置決めターゲット用にｂ層にもアライメントマークを露光形成するものとする。
【００５５】
ステップＳ１（Ｊｏｂ転送と露光シーケンス起動）
先ず、入力部１７からＪｏｂ名と露光シーケンス起動信号を入力する。主制御部１５は、入力されたＪｏｂ名に基づいて、記憶部１６から入力名と一致するＪｏｂを検索し読み込む。ここで、Ｊｏｂには、露光ショットレイアウトや露光条件、ロット中の各ウエハ毎のａ層露光時に形成されたｂ層用のアライメントマークの位置や非線形シフトを算出するための傾き履歴情報、ｂ層露光時に形成されるｃ層用のアライメントマーク位置等が含まれている。
【００５６】
露光ショットレイアウトとサンプルショット、およびアライメントマークの一例を図５の（ａ）および（ｂ）に図示する。各格子は露光ショットを表わし、ハッチングを施したショット１０１〜１０４がサンプルショットであり、隣接するショット間のクリアランスエリアであるスクライブライン１０５に、図５の（ｂ）に示すように、ｂ層用のアライメントマーク１０１ｂが形成されており、その近傍にｃ層用のアライメントマーク１０１ｃがｂ層露光によって形成される。
【００５７】
読み込まれたＪｏｂの情報に沿ったシーケンスパラメータが同期制御系１２や図示しないウエハ・レチクル搬送制御系に転送される。
【００５８】
ステップＳ２（ウエハ・レチクルロード）
シーケンスパラメータが転送されたウエハ・レチクル搬送制御系は、図示しないウエハ・レチクル搬送系を駆動させ、ウエハ６およびレチクル３を、それぞれ、ウエハステージ７およびレチクルステージ４に搬送する。このウエハ・レチクル搬送系による搬送時にウエハ６およびレチクル３はともに各ステージに対し粗い位置決めが行なわれる。なお、搬送源は、シーケンスパラメータに従うが、通常、ウエハは投影露光装置とインライン接続されているコーターディベロッパから搬入され、レチクルは投影露光装置内のレチクルストッカから搬入される。
【００５９】
ステップＳ３（マークフォーカスおよびグローバルアライメント計測）
Ｊｏｂに沿ったサンプルショットのｂ層用アライメントマークの高さ傾きと位置を次のような手順により計測する。
【００６０】
ショット１０１のアライメントマーク１０１ｂ（図５の（ｂ））がアライメント検出器９の検出視野内に位置決めされるようにウエハ６が送り込まれる。ウエハ６はショット配列格子の算出のためのアライメント計測に入る前に、ＡＭフォーカス検出系２６により、アライメントマーク１０１ｂの近傍面の高さＺ101bおよび傾きωｘ101bとωｙ101bが測定され、アライメント検出器９の検出面高さと一致するようにウエハ６が位置決めされる。通常、この位置決めは、アライメントマーク傾きによる検出高さの差は検出深度に対して小さく無視できるために、高さ方向のみで行なう。
【００６１】
位置決め後、アライメント検出器９にてアライメントマーク１０１ｂの位置をＸ、Ｙ両方向に関し検出し、検出値はアライメント計測系１４にてＸＹ位置（Ｘ101b，Ｙ101b）で算出される。ショット１０１のｂ層用アライメントマーク１０１ｂの計測後、ウエハ６を移動させてアライメント検出器９の検出視野内に隣接するｃ層用アライメントマーク１０１ｃを送り込み、その近傍面の高さＺ101cおよび傾き値ωｘ101cとωｙ101cを計測する。なお、ｂ層用およびｃ層用の各アライメントマークが十分に近接していて、互いの面傾きがほぼ等しく、ωｘ101b＝ωｘ101c、ωｙ101b＝ωｙ101cと見做せる場合はこの計測を行なわない。この計測を行なうか否かの判断は、ｂ層用およびｃ層用の各アライメントマーク間の距離により主制御部にて判断するように構成する。
【００６２】
次に、ウエハ６をウエハステージ７により移動させて、ショット１０２をアライメント検出器９の検出視野内に送り込み、以下、ショット１０４の計測終了まで、ショット１０１の計測と同様の計測を繰り返す。
【００６３】
そして、これらの検出結果は、アライメント計測系１４から主制御部１５に転送される。
【００６４】
ステップＳ４（グローバルチルトと非線形シフト量算出と線形補正式の算出）
全アライメント計測終了後、主制御部１５において、高さ計測値Ｚ101b〜Ｚ104bから最小自乗近似による一次平面と、ウエハステージ走行面（ウエハ像面）に対するウエハ全面の傾きωｗｘ、ωｗｙを算出し、この一次平面がウエハ像面と一致するようにウエハステージ７のＺωｘωｙ方向を補正する。この補正シーケンスをグローバルチルト補正と呼ぶ。
【００６５】
次いで、アライメントマークの非線形シフト量を算出するためのアライメントマーク近傍面の傾き（［ωｘib］、［ωｙib］）（なお、ｉ＝１０１〜１０４であり、以下同様とする。）を求める。このアライメントマーク近傍面の傾きは、ウエハ全面の傾き（ωｗｘ、ωｗｙ）を考慮し、アライメントマーク計測時におけるその近傍面の傾きとアライメントマークの露光形成時における近傍面の傾きとの差から算出することができる。ここで、アライメントマーク計測時におけるその近傍面の傾きは、ステップＳ３において計測された値（ωｘib、ωｙib、ωｘic、ωｙic）であり、アライメントマークの露光形成時における近傍面の傾き（すなわち、ａ層露光時に形成されるｂ層用アライメントマーク近傍面の傾き［ωｘiab ］、［ωｙiab ］）は、本実施例においては、ａ層露光時に、ＡＭフォーカス系でａ層露光の前にあるいは後に測定算出されて、予め履歴情報化され、記憶部１６のＪｏｂ内に保存されている。
【００６６】
そこで、非線形シフト量を算出するためのアライメントマーク近傍面の傾き（［ωｘib］、［ωｙib］）は、Ｊｏｂ内のａ層露光時に形成されるｂ層用アライメントマークの近傍面の傾き［ωｘiab ］、［ωｙiab ］を記憶部１６から読み出し、次式（１）および（２）から求めることができる。
［ωｘib］＝ωｘib−ωｗｘ−［ωｘiab ］ ……（１）
［ωｙib］＝ωｙib−ωｗｙ−［ωｙiab ］ ……（２）
【００６７】
そして、同時に、ｂ層露光時に形成するｃ層用アライメントマークの近傍面の傾き（［ωｘibc ］、［ωｙibc ］）は、ステップＳ３において計測されたｃ層用アライメントマークの近傍面の傾きωｘic、ωｙicから、次式（３）および（４）で算出することができ、
［ωｘibc ］＝ωｘic−ωｗｘ ……（３）
［ωｙibc］＝ωｙic−ωｗｙ ……（４）
これらの値（［ωｘibc ］、［ωｙibc ］）は、記憶部１６の次プロセスのｃ層露光用Ｊｏｂ内に当該ウエハのアライメントマーク傾き履歴情報として自動的に保存され、ｃ層露光時に使用されることとなる。
【００６８】
また、非線形シフト量Δｘi 、Δｙi は前記の算出されたアライメントマーク近傍面の傾き［ωｘib］および［ωｙib］から計算でき、次式（５）および（６）のように、アライメント計測値Ｘi 、Ｙi を補正して、真値［Ｘi ］および［Ｙi ］を得ることができる（なお、ここでウエハの厚さを２ｈとする）。
［Ｘi ］＝Ｘi−Δｘi＝Ｘi −ｈ×［ωｘib］ ……（５）
［Ｙi ］＝Ｙi −Δｙi ＝Ｙi −ｈ×［ωｙib］ ……（６）
そして、これらの真値［Ｘi ］および［Ｙi ］より位置に対する線形補正式を作成して全ショット位置を推定する。
【００６９】
ステップＳ５（露光）
露光スリット光束位置をウエハ６上の第１露光ショット領域の走査開始位置と一致させてから走査露光を行なう。走査開始時は、ウエハ面はグローバルチルト補正によりステージ走行面と一致させ、露光直前のフォーカス先読み計測値に従い、ウエハステージのＺωｘωｙを制御してショット領域のフォーカシングを行ないながら走査露光をする。露光終了後直ちに次ショット領域に移動し次走査露光開始位置に位置決めし、その後同様に走査露光を繰り返す。ショット領域はウエハ上に２次元格子状に配列されており、通常、Ｘ方向同列のショットが順に露光され、同一列の露光が終了した後、Ｙ方向にステップし露光対象ショット列を変えて露光を続ける。
【００７０】
ステップＳ６（ウエハアンロードと終了）
走査露光を反復して行ない全ショットの露光が終了した後、ウエハ６をウエハステージ７からアンロードして終了する。なお、引き続き露光を行なう際には、次露光ウエハに交換される。
【００７１】
以上の露光シーケンスを行なうことにより、ピンとウエハ間の異物挟入、あるいはウエハ吸着保持に起因するウエハ表面の変形等によるウエハ面分布応力によって発生する非線形シフト量を正確に算出することができ、グローバルアライメントによる正しい位置線形補正式が得られ、アライメント精度とそれに伴なうオーバーレイ精度を大きく向上させることができる。また、次層の露光プロセスに使用するアライメントマークの傾き履歴情報も自動的に得られる。なお、本実施例の露光装置は、ステップ・アンド・スキャン方式のスキャナ型として説明したが、ステッパ型の露光装置でも全く同様に適用することが可能である。
【００７２】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
【００７３】
前述した実施例では、アライメントマーク近傍面の傾き履歴情報を用いてアライメントマークの非線形シフトを補正するようにしたが、同様に、露光ショット位置の補正に適用することもできる。すなわち、露光前のフォーカス計測時に得られるａ層の各露光ショット傾きを履歴情報化して、ｂ層露光前に得られるフォーカス計測値との差分から非線形シフトを算出することにより、露光ショット位置を補正することができる。この場合にも、露光ショット自身の位置シフト量として履歴情報化し、次層露光ショットの露光位置に反映させる必要がある。
【００７４】
また、露光ショットの位置シフト量の履歴情報に基づき、サンプルショットのアライメントマーク位置のシフト量を、次層の露光プロセスのアライメント計測値から減算してグローバルアライメントの線形補正式を算出するようにし、アライメントマークの位置校正をすることもできる。
【００７５】
なお、本実施例の露光ショットの非線形シフト補正は、露光装置がスキャナ型である場合には、露光ショット内のスキャン方向全域で可能となるが、ステッパ型の露光装置においては、露光ショットの中心位置のみの補正となる。
【００７６】
このように、本実施例では、各露光ショットで発生する非線形シフトまで補正することができ、オーバーレイ精度の大幅な向上が可能となる。
【００７７】
また、下地パターンとのアライメントを行なわない第１層であるａ層露光時において、各露光ショット傾きによる非線形シフト量を露光ショット位置に反映させることもできる。このとき、各露光ショットに傾きがなくなった場合に絶対格子に対する非線形シフトが解消するため、逆にいえば傾きに比例して非線形シフトが発生することを意味する。したがって、前層の露光プロセスにおける各露光ショット傾きの履歴情報を用いることなく、当該層露光ショットの傾き量に比例して露光位置を補正するのみでよい。また、アライメントマークに関しては、マーク近傍傾きとマークの該当サンプルショット露光時の非線形シフト量を履歴情報化してグローバルアライメントに反映させる。
【００７８】
次に、上述した本発明の投影露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【００７９】
図７は、微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップＳ１１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行なう。ステップＳ１２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップＳ１３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップＳ１４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップＳ１５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップＳ１４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップＳ１６（検査）ではステップＳ１５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップＳ１７）される。
【００８０】
図８は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップＳ２１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップＳ２２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ２３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ２４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップＳ２５（レジスト処理）ではウエハにレジストを塗布する。ステップＳ２６（露光）では上記説明した投影露光装置によってマスクの回路パターンをウエハの複数のショット領域に並べて焼き付け露光する。ステップＳ２７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップＳ２８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップＳ２９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００８１】
このようなデバイスの製造方法を用いれば、従来は製造が困難であった高集積度のデバイスを安定的に低コストで製造することができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、オーバーレイ精度の向上に有利な投影露光装置ならびにデバイス製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る投影露光装置の一実施例の要部構成を概略的に図示する構成図である。
【図２】  本発明に係る投影露光装置の一実施例における露光フォーカス検出器による露光スリット光束に対する計測位置を示す図である。
【図３】  本発明に係る投影露光装置の一実施例におけるアライメント検出器の構成を概略的に示す図である。
【図４】  本発明に係る投影露光装置の一実施例における基本シーケンスのフローチャートである。
【図５】  （ａ）は露光ショットレイアウトとサンプルショットの一例を示す図であり、（ｂ）はアライメントマークの配置関係を示す図である。
【図６】  ピンコンタクトチャックに吸着保持されたウエハにおける非線形シフトを説明するための模式図である。
【図７】  半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図８】  ウエハプロセスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  露光光源（エキシマレーザ）
２  ビーム整形光学系
３  レチクル（原版）
４  レチクルステージ
５  投影光学系
６  ウエハ（基板）
６ａ  アライメントマーク
７  ウエハステージ
７ａ  ウエハチャック
８  （露光）フォーカス検出器
８ａ  投光系
８ｂ  受光系
９  アライメント検出器
１１  ステージ駆動制御系
１２  同期制御系
１３  フォーカス計測系
１４  アライメント計測系
１５  主制御部
１６  記憶部
１７  入力部
２１  照明光学系
２３  ビームスプリッター
２４  ミラー
２５  ＣＣＤカメラ
２６  ＡＭフォーカス検出系
２６ａ  投光系
２６ｂ  受光系
１０１〜１０４  サンプルショット
１０１ｂ、１０１ｃ  アライメントマーク
１０５  スクライブライン
【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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