(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測装置であって、
前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージと、
該ＸＹステージを前記チップの並び方向であるｘ方向に走行させた状態で、前記合わせマーク部を照明する照明光学系と、
該照明光学系で照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる走行状態の反射光を集光する対物レンズ、該対物レンズから集光して得られる走行状態の反射光を結像させる結像光学系、該結像光学系で結像される走行状態の反射光像を前記走行と逆方向に走査する走査光学系、および該走査光学系で逆方向に走査してほぼ静止状態の反射光像を受光して画像信号に変換するリニアイメージセンサを有する検出光学系と、
該検出光学系のリニアイメージセンサで変換された画像信号を基に少なくとも前記走行方向と直角方向についての下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出手段とを備えたことを特徴とする合わせ精度計測装置。
【請求項２】
前記検出光学系のリニアイメージセンサを２次元のイメージセンサで構成することを特徴とする請求項１記載の合わせ精度計測装置。
【請求項３】
前記検出光学系のリニアイメージセンサをＴＤＩイメージセンサで構成することを特徴とする請求項１記載の合わせ精度計測装置。
【請求項４】
前記検出光学系のリニアイメージセンサを複数のチャンネルから構成することを特徴とする請求項１記載の合わせ精度計測装置。
【請求項５】
前記照明光学系は、前記対物レンズを通して落射照明するように構成したことを特徴とする請求項１記載の合わせ精度計測装置。
【請求項６】
前記照明光学系には、２次光源を形成する光源フィルタを有することを特徴とする請求項１記載の合わせ精度計測装置。
【請求項７】
前記検出光学系には、合わせマーク部から得られる０次回折反射光を遮光若しくは減光する結像フィルタを有することを特徴とする請求項１記載の合わせ精度計測装置。
【請求項８】
被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測装置であって、
前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージと、
該ＸＹステージを前記チップの並び方向であるｘ方向に走行させた状態と停止状態とで、前記合わせマーク部を照明する照明光学系と、
該照明光学系で照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる走行状態の反射光と停止状態の反射光を集光する対物レンズ、該対物レンズから集光して得られる走行状態の反射光と停止状態の反射光を結像させる結像光学系、前記対物レンズから集光して得られる走行状態の反射光と停止状態の反射光を切り替える切り替え光学系と、該切り替え光学系で切り替えられて前記結像光学系で結像される走行状態の反射光像を前記走行と逆方向に走査する走査光学系、該走査光学系で逆方向に走査してほぼ静止状態の反射光像を受光して第１の画像信号に変換する第１のリニアイメージセンサ、および前記切り替え光学系で切り替えられて前記結像光学系で結像される停止状態の反射光像を受光して第２の画像信号に変換する第２のリニアイメージセンサを有する検出光学系と、
該検出光学系の第１のリニアイメージセンサで変換された第１の画像信号を基に少なくとも前記走行方向と直角方向についての下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測し、前記検出光学系の第２のリニアイメージセンサで変換された第２の画像信号を基に下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出手段とを備えたことを特徴とする合わせ精度計測装置。
【請求項９】
前記検出光学系の切り替え光学系を、分岐光学系で構成したことを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１０】
前記検出光学系の切り替え光学系を、前記走査光学系を光路中に進退させることによって構成したことを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１１】
前記検出光学系の第２のリニアイメージセンサを２次元のイメージセンサで構成することを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１２】
前記検出光学系の第１のリニアイメージセンサをＴＤＩイメージセンサで構成することを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１３】
前記検出光学系の第１のリニアイメージセンサを複数のチャンネルから構成することを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１４】
前記照明光学系は、前記対物レンズを通して落射照明するように構成したことを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１５】
前記照明光学系には、２次光源を形成する光源フィルタを有することを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１６】
前記検出光学系には、合わせマーク部から得られる０次回折反射光を遮光若しくは減光する結像フィルタを有することを特徴とする請求項８記載の合わせ精度計測装置。
【請求項１７】
被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測方法であって、
前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージを前記チップの並び方向であるｘ方向に走行させた状態で、前記合わせマーク部を照明光学系により照明する照明工程と、
該照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる走行状態の反射光を対物レンズで集光し、該集光して得られる走行状態の反射光を結像光学系で結像させ、該結像される走行状態の反射光像を走査光学系により前記走行と逆方向に走査し、該逆方向に走査してほぼ静止状態の反射光像をリニアイメージセンサで受光して画像信号に変換する検出工程と、
該検出工程で前記リニアイメージセンサから得られる画像信号を基に少なくとも前記走行方向と直角方向についての下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出工程とを有することを特徴とする合わせ精度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程、液晶表示素子製造工程、プリント基板製造工程等、基板上にパターンを形成して対象基板を製造していく製造工程において、パターンを露光・エッチングする際に発生する合わせずれ、デフォーカス等の不良を計測する合わせ精度計測装置およびその方法並びに合わせずれ等を分析して対策を施して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法およびそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置を製造するにあたっては、半導体装置の製造工程ごとに、成膜の厚さ、露光後のあるいはエッチング後の寸法、あるいは下層パターンとのあわせずれを計測してこれらが所定の範囲にはいるようにプロセス条件を設定していた。
この際、半導体基板（ウエハ）上に形成された上記成膜あるいはエッチングパターンが所定の範囲にはいっていない場合、そのウエハ内の半導体チップの不良率は上がり、半導体の歩留り（良品率）が下がることになる。
【０００３】
これらの成膜厚さあるいは露光・エッチング時のパターン寸法が所定の範囲に入らないのは、反応ガスの圧力、基板支持部の温度、プラズマを発生させる際の印荷電圧、プロセスガス中への不純物の混入、露光の際の焦点位置、露光の際の重ね合わせレベル等、種々のプロセス条件の変動、あるいは、人為的なプロセス条件の入力ミス等により発生する。
【０００４】
同様の液晶表示素子製造工程でも、反応ガスの圧力、露光の際の重ね合わせレベル等のプロセス条件が変動した場合、表示素子として使えないものになってしまう。プリント基板の製造工程でも状況は同じであって、プロセス条件の変動はパターンの短絡、不良接続の原因に成る。
【０００５】
従来、この種の半導体基板上の合わせ精度を計測する技術の１つとして、特開平１０−２５３３２０号公報に記載されているように、半導体基板上に光を照射して半導体基板上の合わせマーク合わせずれを計測し、所定の範囲に入っていない場合、プロセスパラメータを変更して半導体を製造する方法が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、ウエハ内の３チップ、５チップあるいは９チップの合わせずれの計測をするものであり、ウエハ内の合わせずれの分布を計測すると言う課題については認識されていなかった。したがって、ウエハ内の合わせずれ分布を計測すると言う概念もなく、それを実現できないと言う課題があった。
【０００７】
また、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリッシング）工程等の半導体装置の製造工程への導入により合わせマークの画像のコントラストが小さく、合わせずれの計測が難しくなるという課題があった。上記従来技術では、これらの低コントラストの合わせマークからの画像検出では、合わせずれの計測が難しいという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高いスループットで、多くの合わせマークの合わせ精度の計測を可能にした合わせ精度計測装置およびその方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、ウエハ内の合わせ精度分布がより多くの点で求められるので、プロセス奇異の合わせ精度変動要因の解析の精度を向上させることができる半導体装置の製造方法およびそのシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本課題であるプロセス不良を検出すると言う課題は、ウエハ内チップ、大多数の合わせ精度を計測し、ウエハ内の合わせ精度の分布を知ることにより達成される。
【００１１】
また、本発明の課題であるウエハ内チップ、大多数の合わせ精度計測は、高速ステージによる高速走査手段、ステージ走行時の画像取り込み手段、および高速信号取り込み手段のいずれかを備えたスループットの高い計測装置により計測することで達成される。
【００１２】
また、本発明の課題である低コントラストの合わせマークでの合わせ精度計測は、暗視野照明手段、暗視野画像取り込み手段により達成される。
【００１３】
また、本発明の課題である合わせ精度の管理値の設定は、多数のチップの合わせ精度計測手段と、チップの最終的電気検査手段と、電気検査手段と合わせ精度計測手段からのデータを処理するデータ処理手段とによって達成される。
【００１４】
また、本発明の目的は、これらのプロセス条件の管理は、必ずしも上記の緻密な計測によってのみ達成されるものではなくプロセスばらつきの変動を監視することによって達成される。より具体的には、露光現像によりパターンが形成された基板上の合わせマークの合わせ精度を計測し、プロセス条件の変動により変動する合わせ精度の分布をウエハ内で求め、この変動をウエハ内あるいはウエハ間で監視することで達成される。
【００１５】
また、本発明の目的は、これらのプロセス条件の管理は、必ずしも上記の緻密な計測によってのみ達成されるものではなくプロセスばらつきの変動を監視することによって達成される。より具体的には、露光現像によりパターンが形成された基板上の合わせマークの合わせ精度を計測し、プロセス条件の変動により変動する合わせ精度のばらつきをウエハ内のチップ群内で求め、この変動をウエハ内あるいはウエハ間で監視することで達成される。
【００１６】
また、本発明は、被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測装置であって、前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージと、該ＸＹステージを前記チップの並び方向であるｘ方向に走行させた状態で、前記合わせマーク部を照明する照明光学系と、該照明光学系で照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる走行状態の反射光を集光する対物レンズ、該対物レンズから集光して得られる走行状態の反射光を結像させる結像光学系、該結像光学系で結像される走行状態の反射光像を前記走行と逆方向に走査する走査光学系、および該走査光学系で逆方向に走査してほぼ静止状態（静止状態は勿論のこと少しづつずらしていく場合も含む）の反射光像を受光して画像信号に変換するリニアイメージセンサを有する検出光学系と、該検出光学系のリニアイメージセンサで変換された画像信号を基に少なくとも前記走行方向と直角方向についての下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系のリニアイメージセンサを２次元のイメージセンサで構成することを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系のリニアイメージセンサをＴＤＩイメージセンサで構成することを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系のリニアイメージセンサを複数のチャンネルから構成することを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記照明光学系は、前記対物レンズを通して落射照明するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記照明光学系には、２次光源を形成する光源フィルタを有することを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系には、合わせマーク部から得られる０次回折反射光を遮光若しくは減光する結像フィルタを有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測装置であって、前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージと、該ＸＹステージを前記チップの並び方向であるｘ方向に走行させた状態と停止状態とで、前記合わせマーク部を照明する照明光学系と、該照明光学系で照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる走行状態の反射光と停止状態の反射光を集光する対物レンズ、該対物レンズから集光して得られる走行状態の反射光と停止状態の反射光を結像させる結像光学系、前記対物レンズから集光して得られる走行状態の反射光と停止状態の反射光を切り替える切り替え光学系と、該切り替え光学系で切り替えられて前記結像光学系で結像される走行状態の反射光像を前記走行と逆方向に走査する走査光学系、該走査光学系で逆方向に走査してほぼ静止状態の反射光像を受光して第１の画像信号に変換する第１のリニアイメージセンサ（計測速度優先のイメージセンサ）、および前記切り替え光学系で切り替えられて前記結像光学系で結像される停止状態の反射光像を受光して第２の画像信号に変換する第２のリニアイメージセンサ（計測精度優先のイメージセンサ）を有する検出光学系と、該検出光学系の第１のリニアイメージセンサで変換された第１の画像信号を基に少なくとも前記走行方向と直角方向についての下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測し、前記検出光学系の第２のリニアイメージセンサで変換された第２の画像信号を基に下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出手段とを備えたことを特徴とする。即ち、本発明は、計測速度優先と計測精度優先とを切り替えるようにしたことに特徴を有する。
【００２０】
また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系の切り替え光学系を、分岐光学系で構成したことを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系の切り替え光学系を、前記走査光学系を光路中に進退させることによって構成したことを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系の第２のリニアイメージセンサを２次元のイメージセンサで構成することを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系の第１のリニアイメージセンサをＴＤＩイメージセンサで構成することを特徴とする。また、本発明は、前記合わせ精度計測装置において、前記検出光学系の第１のリニアイメージセンサを複数のチャンネルから構成することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測装置であって、前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージと、前記合わせマーク部を照明する照明光学系と、該照明光学系で照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる反射光を集光する対物レンズ、該対物レンズから集光して得られる反射光を分岐する分岐光学系、該分岐光学系で分岐された第１および第２の反射光を結像させる結像光学系、前記分岐光学系で分岐されて前記結像光学系で結像される第1の反射光像を受光してフォーカス画像信号に変換する一次元のリニアイメージセンサ、および前記分岐光学系で分岐されて前記結像光学系で結像される第２の反射光像を受光して合わせずれ検出用の２次元の画像信号に変換する２次元のリニアイメージセンサを有する検出光学系と、該検出光学系の一次元のリニアイメージセンサで変換されたフォーカス画像信号に基いて前記対物レンズに対する被計測対象基板のフォーカス状態を最適状態に制御するフォーカス制御手段と、該フォーカス制御手段によってフォーカス状態が最適状態になったとき前記検出光学系の２次元のイメージセンサから得られる２次元画像信号に基に下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測方法であって、前記被計測対象基板を載置してｘ方向及びｙ方向に走行するＸＹステージを前記チップの並び方向であるｘ方向に走行させた状態で、前記合わせマーク部を照明光学系により照明する照明工程と、該照明された前記合わせマーク部からの下層の合わせマークと上層合わせマークとから得られる走行状態の反射光を対物レンズで集光し、該集光して得られる走行状態の反射光を結像光学系で結像させ、該結像される走行状態の反射光像を走査光学系により前記走行と逆方向に走査し、該逆方向に走査してほぼ静止状態の反射光像をリニアイメージセンサで受光して画像信号に変換する検出工程と、該検出工程で前記リニアイメージセンサから得られる画像信号を基に少なくとも前記走行方向と直角方向についての下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度算出工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、被計測対象基板にレジストを塗布し、該レジストが塗布された被計測対象基板に対して合わせマークも含めて回路パターンを露光単位で順次配列露光し、該順次配列露光された被計測対象基板を現像してレジストパターンを除去する露光・現像装置と、該露光・現像装置によって被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測装置と、前記基板単位若しくはロット単位で、前記合わせ精度計測装置により計測された前記複数のチップ単位若しくは露光単位毎の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を基に誤差成分に分解した合わせ精度を算出し、前記基板単位若しくはロット単位で、歩留りへの影響度ΔＹが減少しはじめる誤差成分毎の合わせ精度基準値δO’を設定し、前記基板単位若しくはロット単位で、前記算出された誤差成分毎の合わせ精度δが、前記設定された誤差成分毎の合わせ精度基準値δO’を越えたチップ単位数若しくは露光単位数の推移により露光・現像装置に対する合わせ精度を管理する管理部とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムである。
【００２４】
また、本発明は、被計測対象基板にレジストを塗布し、該レジストが塗布された被計測対象基板に対して合わせマークも含めて回路パターンを露光単位で順次配列露光し、該順次配列露光された被計測対象基板を現像してレジストパターンを除去する露光・現像工程と、該露光・現像工程によって被計測対象基板上に配列された複数のチップ単位若しくは露光単位毎にその単位内の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を計測する合わせ精度計測工程と、前記基板単位若しくはロット単位で、前記合わせ精度計測工程により計測された前記複数のチップ単位若しくは露光単位毎の合わせマーク部に形成された下層の合わせマークと上層の合わせマークとの合わせ精度を基に誤差成分に分解した合わせ精度δを算出し、前記基板単位若しくはロット単位で、歩留りへの影響度ΔＹが減少しはじめる誤差成分毎の合わせ精度基準値δO’を設定し、前記基板単位若しくはロット単位で、前記算出された誤差成分毎の合わせ精度δが、前記設定された誤差成分毎の合わせ精度基準値δO’を越えたチップ単位若しくは露光単位数の推移により露光・現像装置に対する合わせ精度を管理する管理工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。また、本発明は、前記半導体装置の製造方法の前記管理工程において、歩留りへの影響度ΔＹは、チップ単位若しくは露光単位での動作試験での合否判定結果に基づいて算出することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る合わせ精度計測装置およびその方法並びにそのシステムの実施の形態について図１乃至図１０を用いて説明する。
【００２６】
投影式露光装置などの露光装置において調整する主たる項目としては、下層との重ね合わせ誤差（倍率誤差、回転誤差、シフト誤差等のアライメント誤差）と、フォーカス誤差と、露光量とが考えられる。
【００２７】
本発明は、図１（ａ）（ｂ）に示すような下層に形成された例えば正方形枠の合わせマーク４と上層に形成された例えば正方形枠の合わせマーク３との合わせ精度（露光装置におけるアライメント精度）（ｘ方向のずれΔｘ、ｙ方向のずれΔｙ）を計測する合わせ精度計測装置並びにそのシステムに関するものである。そして、２０は、合わせ精度計測装置における対物レンズ３０１の視野を示す。合わせマーク４および合わせマーク３ともにｘ方向およびy方向の重ね合わせを正確に計測できるように、共にｘ方向およびｙ方向の直線成分を有するように正方形枠形状に形成した。なお、図１に示す場合には、合わせマーク４の寸法を、合わせマーク３の寸法よりも大きく形成した。
【００２８】
まず、本発明に係る合わせ精度計測装置の第１の実施の形態について図２〜図１７を用いて説明する。本発明に係る合わせ精度計測装置の第１の実施の形態は、図２に示すように、ステージ部１００と、光源部２００と、検出部３００と、画像処理部４００と、コントローラ部７００と、自動焦点検出部５００とから構成される。
【００２９】
ステージ部１００は、ウエハ等の基板１を載置する基板チャック１０３と、該基板チャック１０３を高さ方向に移動するＺステージおよび平面内を回転させるθステージから構成されるＺθステージ１０２と、上記基板チャック１０３を例えば図４（ａ）に走行軌跡１０で示すようにＸおよびＹ方向に走行するＸＹステージ１０１とから構成される。
【００３０】
光源部２００は、光源２０１と、集光レンズ２０２と、光源結像レンズ２０３と、スポット照明若しくは輪帯照明をするための光源フィルタ２０４とから構成される。即ち、光源部２００は、光源２０１からの光源の像を、集光レンズ２０２および光源結像レンズ２０３を介して、光源フィルタ２０４の位置に結像させる。光源フィルタ２０４としては、図７（ａ）に示すスポット照明２次光源２０４１を形成するものでも、図８（ａ）に示す輪帯照明２次光源２０４２を形成するものでもよい。この光源フィルタ２０４は、対物レンズ３０１のフーリエ変換の位置にあり、光源フィルタ２０４をでた光は、ハーフミラー３０２および対物レンズ３０１を介して基板１上の測定点を照明する。
【００３１】
光源２０１としては、ハロゲンランプ等のフィラメントタイプのものであっても、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、水銀キセノンランプ等の放電管タイプのものであっても、また、ＹＡＧレーザの２次変調波（５３２ｎｍ）、Ａｒイオンレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の可視光のレーザであっても、あるいは、ＹＡＧレーザの４次高調波（２６６ｎｍ）、Ａｒイオンレーザの２次高調波（たとえば、２４４ｎｍ）、エキシマレーザ（ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２等）等の紫外領域のレーザであっても良い。この可視や、紫外域のレーザ光の場合、干渉性を低減するために、レーザ光束(マルチのレーザ光束でもよい)を光源フィルタ２０４（２次光源）の位置で図８（ａ）のようなリング状２０４２に走査する、あるいは長さのことなるファイバを用いた干渉性低減等の手段が必要となる。このように、単波長というレーザ光の特性を用いると、対物レンズ３０１を収差を低減した形に実現できるため、合わせ精度の計測精度を向上することができる。これは必ずしもレーザ光の単波長性を用いる必要はなく、フィラメントランプや、放電ランプを光源２０１として用い、光源２０１から基板１までのいずれかの位置に干渉フィルタ、シャープカットフィルタ等の帯域フィルタを入れても実現することができる。
【００３２】
検出部３００は、対物レンズ３０１と、光源部２００から出射された照明光を反射し、合わせマーク部からの反射光を透過するハーフミラー（光源として直線偏光光を使用する場合には、偏光ビームスプリッタで構成してもよい。）３０２と、合わせマーク部からの０次回折反射光を遮光する結像フィルタ３０３と、結像フィルタ３０３を透過した１次以上の回折反射光を検出器３０８に結像させる結像レンズ３０４と、例えばＸステージの走行に同期して検出される走行画像を反対方向に走査して検出器３０８上で静止させる走査光学系(例えばポリゴンミラー)３０６を有する同期ユニット３０７と、２次元のイメージセンサで構成される２次元検出器３０８とにより構成される。即ち、基板１上の測定点から反射、回折、散乱した光は、対物レンズ３０１および結像レンズ３０４により２次元検出器３０８上に結像される。この際、図７（ｂ）および図８（ｂ）に示す結像フィルタ３０３により、照明フィルタ２０４の０次回折光光像（正反射光像）が遮光される。図７（ｂ）に示す結像フィルタ３０３は円形フィルタ３０３１を有し、図８（ｂ）に示す結像フィルタ３０３は輪帯フィルタ３０３２を有する。つまり、図９に示すように、対物レンズ３０１、基板１、対物レンズ３０１による光学系の共役の位置に、照明フィルタ２０４及び結像フィルタ３０３が載置されていることになる。そして、結像フィルタ３０３を透過した１次以上の回折光光像は、走査光学系（例えばポリゴンミラー）３０６により走査されて結像レンズ３０４により２次元検出器３０８上に結像される。ここで、走査光学系３０６は、Ｘステージを走行させたとき、各合わせマーク３、４部６からの１次以上の回折光光像１１、１２を２次元検出器３０８上で静止画像を形成するための構成である。図３には、走査光学系３０６として、例えば平行平板ガラス等のプリズム３０６’を回転させることによって、屈折を利用して光像を走査させるものである。図１０は、輪帯照明した場合における合わせマーク３、４部から得られる対物レンズ３０１の瞳(視野)に入射する０次回折光３０と、ｘ方向に１次回折する１次回折光３１、３２とを示したものである。図１１には、合わせマーク３、４部にスポット照明若しくは輪帯照明した際、合わせマーク３、４部の直線状パターンから発生する０次回折光３０と、１次回折光３１、３２との発生状態を示す。以上説明したように、合わせマーク３、４部からの１次以上の回折光光像（合わせマーク３、４の直線状のエッジから生じる１次以上の回折光が強調された光像）１１、１２は、図１２に示すように、２次元検出器３０８上で静止画像として結像され、例えば一つのラインからは図１３（ａ）に示す画像信号４１、４２が検出されることになる。ところで、対物レンズ３０１の光軸中心に合わせマーク３、４部の中心が来たとき、２次元検出器３０８が静止画像として検出することによって、対物レンズ３０１等の結像光学系の倍率歪みの影響を最低限にすることができる。何れにしても、光源フィルタ２０４および結像フィルタ３０３を設けるのは、０次回折光を遮光して、低コントラストの合わせマーク光像（合わせマークの直線状のエッジが強調された光像）に対応させるためである。従っ��、高コントラストの合わせマーク光像が得られる場合には、光源フィルタ２０４および結像フィルタ３０３を設ける必要がない。そこで、両方に対応できるようにするには、光源フィルタ２０４および結像フィルタ３０３を出し入れできる機構を設ければよい。
【００３３】
画像処理部４００は、２次元検出器３０８から検出される２次元画像信号をＡ／Ｄ変換して２次元のデジタル画像信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０１と、該Ａ／Ｄ変換器４０１で変換された２次元デジタル画像信号を記憶するメモリ４０２と、該メモリ４０２で記憶された２次元デジタル画像信号を読み出して合わせマーク４と合わせマーク３とのｘ方向およびｙ方向の重ね合わせずれ（Δｘ，Δｙ）を算出する信号処理部４０３と、該信号処理部４０３から算出される各チップ毎の複数箇所での合わせマーク４と合わせマーク３との重ね合わせずれから、各チップ内の複数点の重ね合わせずれベクトルを算出するコンピュータ（ＣＰＵ）４０４と、出力装置としてのディスプレイで構成される表示手段４０５と、キーボードやネットワークも含む入力装置（図示せず）とで構成される。即ち、２次元検出器３０８により検出された２次元画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４０１によりアナログデジタル変換され、検出信号として、メモリ４０２に記憶される。記憶される際には、ＸＹステージ１０１の変位信号を基にコントローラ７０２から得られる基板１上の座標情報も含めて記憶される。信号処理部４０３は、メモリ４０２に記憶された各合わせマーク部６の２次元画像情報を読みだし、各合わせマーク部６について所望のアルゴリズムを用いて合わせ精度(Δｘ，Δｙ)が算出される。この算出された各合わせマーク部６の合わせ精度の算出結果は、ＣＰＵ４０４が管理する図示しない記憶手段に記憶され、あるいは、ＣＰＵ４０４により加工されて表示手段４０５により表示される。あるいは、たとえば半導体製造ラインのシステム（図示せず）上に転送される。
【００３４】
コントローラ部７００は、自動焦点検出部５００から検出されるフォーカスデータに基づいて例えばＺステージを制御する制御指令を演算し、例えばリニアエンコーダやレーザ測長器等の変位検出器１０１２から検出されるＸステージの変位と、回転角度検出器３０６２から検出される走査光学系（例えばポリゴンミラー）の回転角度とを基に同期制御指令を演算し、更に、該制御指令に基づいてＸＹステージ１０１の駆動源（１０１１はＸステージの駆動源を示す。）、フォーカス制御用Ｚステージの駆動源（図示せず）、θステージの駆動源（図示せず）、並びに走査光学系の回転駆動源３０６１を制御するコントローラ７０２を備えて構成される。更に、コントローラ７０２は、メモリ４０２にはウエハ上の検出位置座標を基にアドレスデータを入力し、信号処理部４２にはウエハ上の検出位置座標を入力する。
【００３５】
自動焦点検出部５００としては、光学的な場合、照明部５０１と、検出部５０２とから構成される。自動焦点検出部５００は、スポット光斜め照射／リニアセンサ上で正反射ビーム位置ずれ検出、縞パターン投影／縞パターン検出、光パターンコントラスト検出または光干渉検出等の光学的に検出するものと、エアマイクロ検出または静電容量検出等の直接ウエハの表面の高さ方向の変位を検出するものとがある。自動焦点検出部５００で検出される焦点位置と、実際のフォーカス位置との間には、通常オフセットを持っているので、予めこのオフセット値を測定してコントローラ７０２に対して設定しておくことが必要である。このように、合わせずれ計測対象の品種や工程毎にウエハの表面付近の状況が変わるため、また合わせずれの計測をウエハを連続的に走行させた状態で行うため、予め、オフセット値を算出して設定しておく必要がある。このオフセット値は、合わせずれ計測対象と同一品種および同一工程で製造された計測対象（ウエハ）を基板チャックに搭載し、光源フィルタ２０４および結像フィルタ３０３を退避させた状態で、計測対象上の合わせマーク３、４が形成された所望の個所６の画像を、例えばＸＹステージ１０１および走査光学系（例えばポリゴンミラー）３０６を静止させた状態で、Ｚステージを上下動しながら、２次元センサ３０８で検出し、該検出された合わせマーク３、４の画像１１、１２のコントラストが最も高くなる位置において自動焦点検出部５００で検出される高さデータをオフセット値として設定する。従って、Ｘステージを走行させた状態で、走査光学系３０６で合わせマークの部分の画像１１、１２を２次元センサ３０８上で静止された状態を作って合わせマーク４と合わせマーク３とのずれ量を算出する際、コントローラ７０２において、自動焦点検出部５００で検出される高さデータがこの設定されたオフセット値になるようにＺステージを制御することによって、ウエハ１上のどこの位置でも、最適なフォーカス状態を得ることができる。
【００３６】
次に、ウエハ１上に形成された各露光フィールド毎に、合わせずれ計測個所６を例えば４個所として、ウエハ１上において合わせずれ計測個所を１００個所以上に非常に多くしたとしても、合わせずれ計測のウエハ一枚に要する時間を大幅に短縮する一実施の形態について説明する。
【００３７】
まず、基板チャック１０３上に載置され、真空吸着等の手段で吸着された合わせずれ計測対象の基板（ウエハ）１の回転調整がθステージを用いて行われる。即ち、ウエハ１の周辺に線対称に形成された２個所の合わせマーク等のパターン１８ａ、１８ｂの夫々を２次元検出器３０８で検出してその中心位置座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ２，ｙ２）を算出し、中心間距離Ｌ＝√（ｘ２−ｘ１）2＋（ｙ２−ｙ１）2を求めることによって、ｓｉｎφ＝（ｙ２−ｙ１）／Ｌの関係式からＸステージの走行方向に対する計測対象のウエハ１の傾き角φを算出することが可能となる。よって、この傾き角φをなくすように、θステージを用いてウエハ１の回転調整を行う。その結果、合わせマーク３，４の直線成分は、ほぼＸステージおよびＹステージの走行方向に向くことになる。
【００３８】
次に、実際の合わせずれ計測を行う。まず、回転調整されたウエハ１は、ＸＹステージ１０１の移動により図４（ａ）に示すような走行軌跡１０をとって走行されることになる。２は、ウエハ１上に配列される一つ若しくは複数のチップから構成される露光フィールド(露光単位)を示す。露光フィールド２には、例えば、４個所（６ａ〜６ｄ）に合わせずれ測定用の合わせマーク３、４が形成され、上記走行軌跡１０は、この４個所の合わせマーク３、４部（６ａ〜６ｄ）上を通るようになっている。即ち、合わせずれ計測位置である合わせマーク部６が対物レンズ３０１の光軸中心を通るように走行軌跡１０が取られる。なお、走行軌跡１０としては、図６（ａ）（ｂ）に示す１０ａ、１０ｂをとることも可能である。走行軌跡１０ａの場合、露光フィールド２毎に、２個所の合わせマーク部６ｃ、６ｄを通ることになる。また、走行軌跡１０ｂの場合、露光フィールド２毎に、４個所の合わせマーク部６ａ〜６ｄを通ることになる。
【００３９】
上記走行軌跡１０を取るようにＸステージを、１００ｍｍ／ｓ程度の高速で、しかもほぼ等速で走行させ、同時にＸステージに同期させて走査光学系（例えばポリゴンミラー）３０６を逆方向に回転させて対物レンズ３０１および結像レンズ３０４で得られる走行合わせマークの光像１１、１２を走査することによって、２次元検出器３０８上では静止した合わせマークの光像１１、１２を作り上げることが可能となる。ところで、走査光学系３０６のミラー面は、各合わせマーク部６の光像をＸテーブルによる各合わせマーク部の走行と逆方向に走査することなり、２次元検出器３０８上には各合わせマーク部の静止した光像が結像されて撮像されることになる。なお、この際、コントローラ７０２には、予め自動焦点のオフセット値が設定されているので、コントローラ７０２は、常に、自動焦点検出部５００から検出されるウエハの高さ情報を基に最適なフォーカス状態に制御することが可能となる。
【００４０】
以上により、２次元検出器３０８からは、Ｘステージを１００ｍｍ／ｓ程度の高速で走行させた状態で、各合わせマーク部（２０〜４０μｍ□）６について合わせマーク３，４の２次元画像を撮像して、１画素当たり、２５〜５０ＭＨｚの速度で画像信号を出力することが可能となり、一枚のウエハ当たり、１２０〜２４０個所の合わせマーク部６から１分程度で画像信号として検出することが可能となる。
【００４１】
以上、一枚のウエハ１当たり、走行軌跡１０上にある１００個所以上の各合わせマーク部６から順次２次元検出器３０８により図１２に示す静止２次元画像として検出される各合わせマーク部の画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４０１によりアナログデジタル変換され、２次元の検出信号（一ラインについては、図１３（ａ）に４１，４２として示す。）として基板上の座標情報も含めてメモリ４０２に記憶される。信号処理部４０３は、メモリ４０２に記憶された１００個所以上の各合わせマーク部についての基板上の座標情報を含めて２次元画像情報を読みだし、各合わせマーク部について、図１３（ｂ）に示すように、各信号４１ａ，４１ｂ：４２ａ，４２ｂに対して単純に所定の閾値で２値化しそれらの中心を求めて各信号４１：４２の中心を求める方法や対称性パターンマッチング処理によって各信号４１：４２の中心を直接求める方法等のアルゴリズムを用いて、ｘ方向およびｙ方向について複数のラインに亘って積分若しくは平均化することによって、ｘおよびｙ方向の合わせ精度（Δｘ，Δｙ）が算出される。特に、ｘ方向およびｙ方向について複数のラインに亘って積分若しくは平均化する際、特異のライン画像信号については省いて積分若しくは平均化しても良い。この各合わせマーク部についての合わせ精度算出結果は、ＣＰＵ４０４が管理する図示しない記憶手段に記憶され、あるいは、ＣＰＵ４０４により加工されて表示手段４０５により表示、もしくは半導体製造ラインのシステム（図示せず）上に転送される。
【００４２】
以上、ＣＰＵ４０４は、ウエハ１上に配列された露光単位若しくはチップ単位２で、その中に設けられた合わせマーク部６毎の合わせずれ量を算出し、それをベクトル７で表示すると、図１４に示すようになる。
【００４３】
図１５、図１６（ａ）は、ウエハ１上に配列された特定のチップ単位または露光単位２に対して合わせずれ量をベクトル７で表示したものである。図１５に示す場合には、ＣＰＵ４０４は、ｘ方向に合わせずれ量が相違することにより、下層を露光したときと、上層を露光したときで、ｘ方向の露光倍率が異なっていることが判明できる。図１６に示す場合には、ＣＰＵ４０４は、特定の場所だけ合わせずれ量に方向性を有していないことより、下層を露光したとき、あるいは上層を露光したとき、例えばウエハ１と基板チャック１０３との間に異物１５が混入したものと判明される。
【００４４】
更に、図１７には、ウエハ１上に配列された特定のチップ単位または露光単位２に対して合わせずれ量が生じた各種の場合を示す。図１７（ａ）に示す場合は、図１５に示す場合と同様である。図１７（ｂ）に示す場合には、ＣＰＵ４０４は、合わせずれ量において、４個所共に同じ回転ベクトルを有することから、下層を露光するときと、上層を露光するときで、回転ずれが生じたものと判明される。図１７（ｃ）に示す場合には、ＣＰＵ４０４は、合わせずれ量において、４個所共に同じ方向に同じ長さのベクトルを有することから、下層を露光するときと、上層を露光するときで、上記方向にシフトずれが生じたものと判明される。図１７（ｄ）に示す場合には、ＣＰＵ４０４は、合わせずれ量において、４個所共に半径方向に同じ長さのベクトルを有することから、下層を露光するときと、上層を露光するときで、倍率誤差が生じたものと判明される。このように、図１４に示す如く、４個所において合わせずれベクトルが生じた場合、ｘ方向およびｙ方向の倍率誤差成分、回転ずれ成分、ｘ方向およびｙ方向のシフトずれ成分、並びにその他の成分に分解することが可能となる。
【００４５】
次に、本発明に係る合わせ精度計測装置の第２の実施の形態について説明する。図１８は、本発明に係る合わせ精度計測装置の第２の実施の形態の構成を示す図である。第２の実施の形態において、第１の実施の形態と相違する点は、検出部３００において、分岐光学系３０５と、該分岐光学系３０５で分岐された一方の光像を受光する２次元検出器３０８と、上記分岐光学系３０５で分岐された他方の光像をＸテーブルの走行速度より僅か遅い速度で走査する走査光学系（例えばポリゴンミラー）３０６と、ＣＣＤセンサ等から構成された一次元検出器３０９とを備え、２次元検出器３０８から得られる２次元画像と一次元検出器３０９から得られる基本的には一次元画像とを切り替えるスイッチ（図示せず）を設け、２次元検出器３０８で画像を検出する際は、Ｘステージを停止させることにある。
【００４６】
即ち、ウエハ１において、半導体素子のゲートおよびゲートの近傍のスルーホールやその上のゲート配線等の半導体素子に最も近い工程においては高精度の合わせ精度が要求されるので、該工程において露光された被計測対象については、合わせマーク部６のほぼ中心を検出部３００の光軸に位置付けしてＸテーブルを停止させて合わせマーク部６の光像を図１２に示すように二次元検出器３０８で検出することが可能となり、上層の合わせマーク３の光像１１と下層の合わせマーク４の光像１２とのずれ量（Δｘ，Δｙ）を高精度に計測することが可能になる。要するに、合わせ精度について高精度が要求される工程の被計測対象のウエハについては、計測精度を優先して計測時間を多く要することになる。
【００４７】
他方、ウエハ１において、ゲート近傍よりも上層の配線層については、合わせ精度が上記精度まで要求されないので、図２０（ａ）に示すように走行軌跡１０ａに沿って、Ｘテーブルを１００ｍｍ／ｓ程度の高速で走行させた状態で検出される走行光像を逆方向に走査光学系３０６で僅か遅らせて走査することにより、図１９に示すように、ＣＣＤセンサ等の一次元検出器３０９が見かけ上合わせマーク３、４の光像１１、１２に対して幅Ｗ（例えば１００画素程度）移動することになり、幅Ｗに亘った合わせマーク３、４のずれ量を示す画像信号が、一次元検出器３０９から一画素当たり、２５〜５０ＭＨｚで読み出すことが可能となり、Ｘテーブルを１００ｍｍ／ｓ程度の高速で走行させた状態で、ｙ方向の合わせずれ量を比較的高精度に計測することが可能となる。このように、一次元検出器３０９を用いても、合わせマーク３、４の光像１１、１２に対して幅Ｗで画像として検出できるため、ｙ方向の合わせずれ量（Δｙ）を比較的高精度に計測できることになる。なお、合わせマーク３、４が共に正方形形状を用いるため、一次元検出器３０９として、図２１に示す如く、ＴＤＩセンサを用いることも可能である。図２１には、ＴＤＩセンサが、合わせマーク光像１１、１２を撮像する状態を示す。
【００４８】
しかし、ｘ方向についても合わせずれ量を計測する必要があるため、例えばθステージを用いてウエハ１を９０度回転させ、上述したように図２０（ｂ）に示すように走行軌跡１０ｂに沿って、Ｘテーブルを１００ｍｍ／ｓ程度の高速で走行させた状態で検出される走行光像を逆方向に走査光学系３０６で僅か遅らせて走査することを繰り返してｘ方向の合わせずれ量（Δｘ）を計測する。このように、ウエハ１を９０度回転させる必要はあるが、Ｘステージを１００ｍｍ／ｓ程度の高速で走行させた状態で、各合わせマーク部（２０〜４０μｍ□）６について合わせマーク３、４の幅Ｗの１次元画像を撮像することが可能となり、一枚のウエハ当たり、１２０〜２４０個所の合わせマーク部６から数分程度でｘおよびｙ方向の画像信号として検出することが可能となる。
【００４９】
当然、一次元検出器３０９の代わりに第１の実施の形態と同様に２次元検出器で構成し、Ｘステージを走行させた状態で、走行される光像を走査光学系３０６で逆方向に走査して２次元検出器上で上記のように多少ずらすか若しくは静止させることによって、各合わせずれ計測部６について合わせマーク３、４の２次元画像を検出することが可能となる。
【００５０】
以上説明した第２の実施の形態によれば、ウエハの品種や工程に応じて、合わせずれ計測精度において高精度を優先する場合と、精度を少し落として高速性を優先して計測時間を短縮する場合とを切り替えることが可能となる。
【００５１】
図２２には、第２の実施の形態の変形例を示す。この変形例は、走査光学系３０６を進退可能に構成して分岐光学系３０５をなくしたものである。なお、図２２には、一次元検出器３０９上に結像させるシリンドリカル結像レンズ３１０が設けられている。このように構成することによって、高速性を優先する場合には走査光学系３０６を光路中に挿入し、高精度を優先する場合には走査光学系３０６を退避させればよい。
【００５２】
次に、本発明に係る合わせ精度計測装置の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、図２に示す第１の実施の形態において、走査光学系３０６をなくし、結像光学系３０４で結像される合わせマーク部６の光像１１、１２を、高速センサであるＴＤＩセンサから構成される並列読み出しセンサもしくはマルチチャンネル一次元センサで構成する。マルチチャンネル一次元センサとしては、例えば６４画素のリニアセンサ毎に読み出すことが可能な例えば６４画素のリニアセンサを多数直列に並べてチャンネル毎に読み出すように構成する。このように、ＴＤＩセンサ等の並列読み出しセンサの場合には、２０〜５０ＭＨｚで読み出すことが可能となり、Ｘステージの走行に伴って受光する合わせマーク部６の光像１１、１２が走行されたとしても、ｙ方向の合わせずれ量（Δｙ）を算出できる画像信号を得ることができる。また、マルチチャンネル一次元センサを多数直列に並べてチャンネル毎に読み出すように構成しても、チャンネル数に応じた速度でＸステージの走行に伴って受光する合わせマーク部６の光像１１、１２が走行されたとしても、ｙ方向の合わせずれ量（Δｙ）を算出できる画像信号を得ることができる。
【００５３】
当然、合わせずれ量としてｘ方向についても算出する必要があるため、第２の実施の形態と同様に、図２０に示すように、例えばθステージを用いてウエハ１を９０度回転させて、上述したように繰り返してｘ方向の合わせずれ量（Δｘ）を計測する。このように、ウエハ１を９０度回転させる必要はあるが、Ｘステージを１００ｍｍ／ｓ程度の高速で走行させた状態で、各合わせマーク部（２０〜４０μｍ□）６について合わせマーク３、４の幅Ｗの１次元画像を撮像することが可能となり、一枚のウエハ当たり、１２０〜２４０個所の合わせマーク部６から数分程度でｘおよびｙ方向の画像信号として検出することが可能となる。
【００５４】
次に、本発明に係る合わせ精度計測装置の第４の実施の形態について説明する。図２３は、本発明に係る合わせ精度計測装置の第４の実施の形態の構成を示す図である。第４の実施の形態は、上記第１、第２および第３の実施の形態と異なり、検出部３００において、走査光学系３０６を有していなく、分岐光学系３０５を有し、一次元検出器３０９はフォーカス画像を検出し、２次元検出器３０８は、Ｘステージを停止させた状態で合わせマーク部６の２次元画像を検出するように構成される。
【００５５】
画像処理部４００には、更に、一次元検出器３０９で検出される一次元のフォーカス画像信号をＡ/Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器４１１と、該Ａ／Ｄ変換器４１１で得られたフォーカスデジタル画像信号を記憶するメモリ４１２と、該メモリ４１２から得られるフォーカスデジタル画像信号に対して例えば２次微分を施して両方の合わせマークからの２次微分が最大になるコントラストを算出するコントラスト信号処理部４１３とを備え、該コントラスト信号処理部４１３で得られるコントラストが最大になったとき２次元検出器３０８から得られる合わせマーク部６の２次元画像信号をＡ／Ｄ変換してメモリ４０２に取り込むように構成される。
【００５６】
即ち、ＸＹステージ１０１は、図６（ａ）（ｂ）に示すような軌跡１０ａ、１０ｂをとって走行され、各合わせマーク部６において停止される。そして、コントローラ１には、ウエハを代表する１〜２個所の画像を基に、搭載されたウエハの品種や工程に応じて予め自動焦点のオフセット値が設定されているので、自動焦点検出部５００から検出されるウエハの高さ情報を基にフォーカス状態に制御される。しかし、ウエハに形成された全ての合わせマーク部について上記設定されたオフセット値が正しいか不明につき、確認する必要がある。そこで、幾つかの合わせマーク部６において、光源フィルタ２０４および結像フィルタ３０３を入れた状態で、Ｚステージを所定のステップΔｈで上下動させ、その都度、一次元検出器３０９から図２４（ｂ）に示す一次元のデジタル画像信号を検出してＡ／Ｄ変換してメモリ４１２に記憶する。コントラスト信号処理部４１３は、メモリ４１２に記憶された一次元のデジタル画像信号を読み出してコントラストを算出し、該算出されたコントラストが最大になる合焦点座標を記憶する。そして、各合わせマーク部６において、Ｘステージの走行を停止させ、Ｚステージが上記記憶された合焦点座標になったとき、図２４（ｃ）に示す如く、２次元検出器３０８で各合わせマーク部６の２次元光像を撮像して２次元画像信号を出力し、Ａ／Ｄ変換器４０１で２次元デジタル画像信号に変換してメモリ４０２に記憶させる。その結果、信号処理部４０３から各合わせマーク部６について合わせずれ量（Δｘ，Δｙ）が算出されることになる。
【００５７】
以上説明したように、第４の実施の形態によれば、各合わせマーク部において合わせずれ量を算出する同じ合わせマークを用いて合焦点制御することによって、正確に合焦点状態でおいて、合わせマーク３、４の２次元画像を正確に撮像して高精度の合わせずれ量を算出することができることになる。
【００５８】
以上説明した合わせ精度計測装置から、ウエハ上に露光される露光単位２毎に算出される合わせずれ量のベクトル（ｘ方向およびｙ方向の倍率誤差成分、回転ずれ成分、ｘ方向およびｙ方向のシフトずれ成分、並びにその他の成分に分解することが可能である。）に基づく、露光システムへの管理の実施の形態について説明する。
【００５９】
図２５には、同一品種で、同一工程の一枚若しくは複数枚のウエハ（ロット単位でもよい）において合わせ精度計測装置で計測されて分解されたｘ方向およびｙ方向の倍率誤差成分、回転ずれ成分、ｘ方向およびｙ方向のシフトずれ成分、並びにその他の成分毎に、合わせずれ量のベクトルの大きさδが管理値と設定した目標合わせずれ基準値δOを満足する（ＯＫである）（δ≦δO）場合における、ＩＣチップの動作試験結果（テスタ試験結果）の良品の個数と不良品の個数、並びに合わせずれ量のベクトルの大きさδが上記目標合わせずれ基準値δOを満足しない（ＮＧである）（δ＞δO）場合における、ＩＣチップの動作試験結果（テスタ試験結果）の良品の個数と不良品の個数の関係を表した図である。ＹOは、合わせずれベクトルの大きさδが上記目標合わせずれ基準値δOを満足する（ＯＫである）場合の歩留りを示し、ＹNは、合わせずれベクトルの大きさδが上記目標合わせずれ基準値δOを満足しない（ＮＧである）場合の歩留りを示す。Ｙは、全体の歩留りを示す。
【００６０】
次の（１）式で示すΔＹは、上記各成分毎における、合わせずれ量δについて管理値として設定した目標合わせずれ基準値δOに対する歩留りへの影響度を示す。
【００６１】
ΔＹ＝Ｙ−ＹO                                      （１）
図２６（ａ）（ｂ）には、上記各成分毎における合わせずれベクトルの大きさδが上記目標合わせずれ基準値δOを満足するチップ若しくは露光単位２を白で示し、満足しないチップ若しくは露光単位２を点々で示す。図２６（ｂ）は、ＩＣチップの動作試験結果（テスタ試験結果）において、良品については無印で示し、不良品についてはＮで示す。
【００６２】
図２７は、同一品種で、同一工程の一枚若しくは複数枚のウエハ（ロット単位でもよい）における合わせ精度δに対するチップ若しくは露光単位の個数７１を示す。図２７（ｂ）には、上記管理値としての上記目標合わせずれ基準δOを変えた場合における上記（１）式に基づく歩留りへの影響度ΔＹの曲線７２を示した図である。上記各成分毎における、合わせずれ量δについて管理値として設定した目標合わせずれ基準値δOに対する歩留りへの影響度ΔＹ７２は、上記（１）式の関係から、目標合わせずれ基準値δOを大きくしていった場合、（δ≦δO）場合におけるチップ若しくは露光単位での歩留りＹOが、ほぼ一定値からある基準値δO'で増加していく傾向にあることから、ある基準値δO’から減少して傾向にある。このように、歩留りへの影響度ΔＹの曲線７２がほぼ一定値から減少していく基準値δO'を、管理値としての目標合わせずれ基準値δOとすることによって、合わせずれ量δが上記基準値δO'を満足しないチップ若しくは露光単位についての不良品となる確率を最大にすることが可能となる。
【００６３】
そこで、図２９に示す製造ライン管理装置５８は、プローブ検査装置（テスタ）５６で検査されて記憶装置５７に記憶されたＩＣチップの動作試験結果と、合わせ精度計測装置５５（１）〜５５（ｍ）の各々で、計測されて分解されたｘ方向およびｙ方向の倍率誤差成分、回転ずれ成分、ｘ方向およびｙ方向のシフトずれ成分、並びにその他の成分毎の合わせずれ量のベクトルの大きさδとを基に、上述した関係から、上記成分毎の許容する目標合わせずれ基準値δO’を設定することが可能となる。その結果、製造ライン管理装置５８は、上記成分毎に、合わせずれ量δが、目標合わせずれ基準値δO’を越えたチップ数若しくは露光単位数８１をウエハ単位（ロット単位も含む）で求めて管理し、例えば管理値８２を越えたとき８３、そのウエハ単位（ロット単位も含む）に製造ラインおよび投影露光装置等にフィードバックして合わせずれ量を低減させる対策または再度露光・現像をやり直す対策をする必要がある。なお、５０（１）〜５０（ｎ）は、異なる露光・現像工程を示す。当然、露光・現像工程５０（１）〜５０（ｎ）には、投影露光装置が存在することになる。
【００６４】
図３０は、合わせ精度計測装置５５（１）〜５５（ｍ）の各々で、計測されて分解された上記成分毎の合わせずれ量δが、目標合わせずれ基準値δO’を越えたチップ数若しくは露光単位数８１をウエハ単位若しくはロット単位で求め、この求められたチップ数等が管理値を満たす場合と、満たさない場合とのウエハの流れを示す図である。即ち、満たす場合には、ウエハを次の工程に進め、満たさない場合には、ウエハ上に形成されたレジストを除去して、再度露光・現像工程５０（１）〜５０（ｎ）の前のレジスト塗布工程に戻し、再度露光・現像をすることになる。
【００６５】
図３１には、ウエハの流れの外、信号の流れを示す。合わせずれ計測装置５２１で計測されたウエハに亘る各合わせマーク部６の合わせずれ量（Δｘ，Δｙ）または各チップ若しくは露光単位での合わせずれ量δに関する情報を制御システム５９（製造ライン管理装置５８でもよい。）に送信して記憶装置（図示せず）に記憶させる。制御システム５９は、上記記憶装置に記憶させた合わせずれ量を基に、上述したように、ウエハ単位若しくはロット単位でのＯＫ，ＮＧの判定を行い、ＮＧの場合には、合わせずれ量に関する情報を投影露光装置５１にフィードバックする。投影露光装置５１は、フィードバックされた合わせずれ量に関する情報を基に、シフトずれの場合にはアライメントのｘおよびｙ方向のオフセット値を変更して補正し、倍率ずれの場合には倍率補正を行い（倍率補正は、基本的には投影露光装置を導入する際行われる。）、回転ずれの場合にはアライメントの回転方向のオフセット値を変更して補正する。投影露光装置５１は、この他、フォーカス誤差および露光量も調整制御することが可能である。要するに、合わせずれ量がウエハ単位若しくはロット単位で許容範囲を越えた場合には、上記の如く、投影露光装置５１における各種オフセット値を補正することになる。なお、５２は現像装置、５３はレジスト塗布装置、５４はレジスト除去装置である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、ステージを止めることなく、露光された下層と上層との間の重ね合わせ精度を計測できるので、短い時間で、多くの合わせマークの合わせ精度の計測が可能になるという効果を奏する。
【００６７】
また、本発明によれば、ウエハ上の下層の合わせマークと上層の合わせマークとの間の合わせ精度をより高速に計測可能なので、ウエハ内の合わせ精度分布がより多くの点で求められるので、プロセス奇異の合わせ精度変動要因の解析の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る被計測対象パターンの一実施例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側正面断面図である。
【図２】本発明に係る合わせ精度計測装置の第１および第３の実施の形態を示す構成図である。
【図３】図２に示す走査光学系の変形例を示す図である。
【図４】ウエハの回転ずれ補正の説明図である。
【図５】本発明に係るＸＹステージによるウエハに対する走行軌跡とチップ若しくは露光単位内に設けられた合わせマーク部を示す図である。
【図６】本発明に係るＸＹステージによるウエハに対する走行軌跡とチップ若しくは露光単位内に設けられた合わせマーク部との関係を示す図である。
【図７】本発明に係る円形状を有する光源フィルタおよび結像フィルタを示す図である。
【図８】本発明に係る輪帯形状を有する光源フィルタおよび結像フィルタを示す図である。
【図９】本発明に係る光源フィルタ、結像フィルタ、対物レンズ、結像レンズおよび基板の配置関係を示す図である。
【図１０】本発明に係る瞳位置での回折像の関係を示す光軸方向から見た図である。
【図１１】本発明に係る被計測対象パターンでの回折現象を説明するための図である。
【図１２】本発明に係るＸステージを走行させた状態で静止させた被計測対象パターンを２次元センサ（検出器）で撮像する状態を示す図である。
【図１３】図１２に示す２次元センサの一ラインから得られる画像信号波形および該画像信号から合わせずれを算出するための説明図である。
【図１４】本発明に係る計測結果であるチップ若しくは露光単位内に設けられた合わせマーク部から算出される合わせずれベクトルおよびその表示例を示す図である。
【図１５】本発明に係る計測結果であるウエハ上において、配列されたチップ若しくは露光単位内に設けられた合わせマーク部から算出される合わせずれベクトルの一実施例およびその表示例を示す図である。
【図１６】本発明に係る計測結果であるウエハ上において、配列されたチップ若しくは露光単位内に設けられた合わせマーク部から算出される合わせずれベクトルの他の実施例およびその表示例並びにその原因を示すウエハの正面断面図である。
【図１７】本発明に係る計測結果であるチップ若しくは露光単位内の合わせずれの各種の形態とその表示例を示す図である。
【図１８】本発明に係る合わせ精度計測装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図１９】第２の実施の形態においてＸステージを走行させた状態で幅Ｗで移動する被計測対象パターンを１次元センサ（検出器）で撮像する状態を示す図である。
【図２０】第２の実施の形態においてウエハの走行軌跡をウエハを９０度回転させて行う説明図である。
【図２１】本発明に係るＸステージを走行させた状態で被計測対象パターンを１次元センサ（検出器）であるＴＤＩイメージセンサで撮像する状態を示す図である。
【図２２】本発明に係る合わせ精度計測装置の第２の実施の形態の変形例である走査光学系を進退させる場合を示す図である。
【図２３】本発明に係る合わせ精度計測装置の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図２４】第４の実施の形態において一次元センサから検出される画像信号から最適フォーカス位置を求め、該最適フォーカス位置でＸステージを停止させた状態で静止させた被計測対象パターンを２次元センサ（検出器）で撮像する状態を説明するための図である。
【図２５】本発明に係る合わせずれ量δが目標合わせずれ基準値δOより小さい場合と大きい場合とにおけるチップ若しくは露光単位の良品と不良品との関係の基づく、合わせずれ量δがＯＫの場合の歩留りＹ0、ＮＧの場合の歩留りＹN、および全体の歩留りＹの関係を説明するための図である。
【図２６】本発明に係るチップ単位若しくは露光単位での合わせずれ量δが目標合わせずれ基準値δOより大きい場合のベクトルと、動作試験結果との関係を示す図である。
【図２７】本発明に係る合わせ精度δとチップ数若しくは露光単位数との関係並びに目標合わせずれ基準値δOに対する歩留りへの影響度ΔＹの関係を示す図である。
【図２８】本発明に係る最適な目標合わせずれ基準値δOを満たさない不良品のチップ数のウエハ単位若しくはロット単位での推移を示す図である。
【図２９】本発明に係る製造ラインの概略構成を示す図である。
【図３０】本発明に係る合わせ精度計測装置においてウエハがＯＫの場合とＮＧの場合とにおけるウエハの流れを示す図である。
【図３１】製造ラインにおいて本発明に関する部分の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…ウエハ（被計測対象）、３、４…合わせマーク、６、６ａ〜６ｄ…合わせマーク部、１０、１０ａ、１０ｂ…走行軌跡、１１、１２…合わせマークの光像、１５…異物、２０…視野、５０、５０（１）〜５０（ｎ）…露光・現像工程、５１…投影露光装置、５２…現像装置、５３…レジスト塗布装置、５４…レジスト除去装置、５５、５５（１）〜５５（ｍ）…合わせ精度計測装置、７２…歩留りへの影響度ΔＹの曲線、８２…合わせずれ量δが目標合わせずれ基準値δO’を越えたチップ数若しくは露光単位数の推移、１００…ステージ部、１０１…ＸＹステージ、１０２…Ｚθステージ、１０３…基板チャック、２００…光源部、２０１…光源、２０２…集光レンズ、２０３…光源結像レンズ、２０４…光源フィルタ、２０４１…スポット照明２次光源、２０４２…輪帯照明２次光源、３００…検出部、３０１…対物レンズ、３０２…ハーフミラー、３０３…結像フィルタ、３０３１…円形フィルタ、３０３２…輪帯フィルタ、３０４…結像レンズ、３０５…分岐光学系、３０６…走査光学系（例えばポリゴンミラー）、３０６’…平行平板ガラス等のプリズム、３０７…同期ユニット、３０８…２次元検出器（２次元イメージセンサ）、３０９…１次元検出器(１次元イメージリニアセンサ：ＣＣＤセンサ、ＴＤＩセンサ)、３１０…シリンドリカル結像レンズ、４００…画像処理部、４０１…Ａ／Ｄ変換器、４０２…メモリ（画像メモリ）、４０３…信号処理部、４０４…コンピュータ（ＣＰＵ）、４０５…表示手段、５００…自動焦点検出部、５０１…照明部、５０２…検出部、７００…コントローラ部、７０２…コントローラ、１０１１…ステージ駆動源、１０１２…変位検出器。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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