JP2001317913A

JP2001317913A - 重ね合わせ測定装置および方法

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Publication number: JP2001317913A
Application number: JP2000114648A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukui; 達雄福井; Keiichi Hosoi; 啓一細井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2001-11-16
Anticipated expiration: 2020-04-17
Also published as: JP4457461B2

Abstract

(57)【要約】【課題】測定誤差が所定以上に大きくなる前に所定のタ
イミングで光学系の精度を測定して調整することにより
スループットを向上させるようにした重ね合わせ測定装
置を提供する。【解決手段】ウエハ２１を載置するＺステージ２２Ｚに
は精度基準マーク２３ａ,２３ｂが設けられている。ウ
エハ２１の下地重ね合わせマーク２０Ｌの上には上地重
ね合わせマーク２０Ｕが形成されている。上下の重ね合
わせマークの位置ズレを測定し、その値が所定値以上の
ウエハを不良品とする。Ｚステージ２２Ｚ上の精度基準
マーク２３ａ，２３ｂを利用して定期的に光学系の精度
を測定し、収差や照明テレセン、ケラレなどを調整す
る。不良品の比率が高くなって光学系の精度を検出する
場合よりもスループットが向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば半導体ウ
エハなどの検査対象物上の重ね合わせマークを観察して
層間マークの位置ズレを検出する重ね合わせ測定装置お
よびその測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ウエハに半導体パターンを形成するリソ
グラフィ工程では、異なったパターンが形成された複数
のレチクルが使用される。まず、１層用のパターンが形
成されているレチクルを透過するパターンの像でウエハ
の第１層レジストを露光して現像する。次いで、２層用
のパターンが形成されているレチクルを透過するパター
ンの像で、第１層パターンの上に塗布されている第２層
レジストを露光して現像する。このような露光現像処理
を複数回行ってウエハに所定のパターンが形成される。
このようなリソグラフィ工程にあっては、下層と上層の
パターン、たとえば第１層のパターンと第２層のパター
ンを正しい位置関係で形成する必要がある。

【０００３】上下層のそれぞれのパターンが形成されて
いるレチクルには、本来のパターンに加えて重ね合わせ
マークも形成されている。下層パターンが形成されたウ
エハ上に上層パターンを形成したとき、下層パターンと
上層パターンとが正しい位置関係で形成されていれば、
上下２層の重ね合わせマークの相対位置関係、すなわち
位置ズレは所定の誤差範囲となる。

【０００４】上層パターンの現像が終了するごとに、重
ね合わせ測定装置により上記相対位置関係を計測し、所
定の誤差範囲から逸脱したウエハは不良品とする。上記
重ね合わせ測定装置は、たとえば、照明光源と、照明光
源からの照明光を重ね合わせマーク上に照射する照明光
学系と、照明された重ね合わせマークの反射光をＣＣＤ
のような撮像装置に結像させる結像光学系と、撮像装置
からの検出信号に所定の処理を施して上述した重ね合わ
せ誤差を検出する信号処理系とを備えている。

【０００５】ところで、上記重ね合わせ測定装置では、
次のような現象に基づいて測定誤差が発生する。（１）照明光学系および結像光学系で構成される測定光
学系それ自身が有する光軸に非回転対称なコマ収差が存
在する。（２）照明光学系によりウエハ上に入射する照明光の入
射角度が垂直でないことによる照明テレセン誤差があ
る。（３）ウエハから撮像装置へ反射光が導かれる光路内で
反射光は一部ケラレ、反射光束の一部が撮像装置に入射
しないことによるケラレ誤差がある。

【０００６】以上の（１）〜（３）の現象は一例であ
る。これらの誤差要因は測定装置の使用時間に依存して
変動して、誤差が大きくなる。そこで、重ね合わせ測定
装置が有する上記のような測定誤差を定期的に計測して
調整する必要がある。

【発明が解決しようとする課題】

【０００７】従来は、不良品が発生する割合が多くなっ
たときに測定誤差がある程度以上大きくなったと判断す
る。このとき、通常の検査作業をいったん中断してメン
テナンス作業に移行し、上述した測定誤差の要因となる
光学系の精度を計測し、その計測結果に基づいて光学系
を調整して精度を所定値以上に設定している。すなわち
このメンテナンス作業では、計測マークが設けられた計
測用標準ウエハをステージ上に載置し、上述した精度を
計測する。そして、計測結果に基づいて、上記（１）〜
（３）の要因を取り除く調整作業を行う。このように、
通常の検査作業を中断した上で、上述した精度を測定し
て調整作業を行うため、全体としての装置の使用効率が
悪化するという問題がある。このような問題は、アライ
メント光学系の光軸と測定光学系の光軸の間の距離、い
わゆるベースライン距離についても同様である。

【０００８】本発明の目的は、測定誤差が所定以上に大
きくなる前に所定のタイミングで光学系の精度を測定す
ることによりスループットを向上させるようにした重ね
合わせ測定装置及びその方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一実施の形態の図１に対
応づけて本発明を説明する。（１）請求項１の発明による重ね合わせ測定装置は、精
度基準マーク２３ａ，２３ｂが設けられ、検査対象物２
１を載置する載置台２２Ｚと、照明光を出射する照明光
源１と、照明光源１からの照明光を検査対象物２１上の
重ね合わせマーク２０および精度基準マーク２３ａ，２
３ｂいずれかに照射する照明光学系１〜６と、照明され
た重ね合わせマーク２０および精度基準マーク２３ａ，
２３ｂのいずれか一方からの反射光を光電変換素子８上
に結像させる結像光学系５〜８，１１，２４，２５と、
光電変換素子８からの検出信号に基づいて、２層に重な
る重ね合わせマーク２０の位置ズレを検出する位置ズレ
検出装置９とを備える。（２）請求項２による重ね合わせ測定装置は、請求項１
の重ね合わせ測定装置において、精度基準マーク２３
ａ，２３ｂの反射光を受光する光電変換素子８からの検
出信号に基づいて、照明光学系および結像光学系の少な
くともいずれか一方の光学性能を検出する光学性能検出
装置９，ＭＣと、検出された光学性能を調整する調整装
置ＤＣ１０，ＤＣ７，ＤＣ１１，ＤＣ２４とを備えるこ
とを特徴とする。（３）図９に対応づけて説明する。請求項３による重ね
合わせ測定装置は、定数管理基準マーク１２３が設けら
れ、検査対象物２１を載置する載置台２２Ｚと、照明光
を出射する照明光源１と、照明光源１からの照明光を検
査対象物２１上の重ね合わせマーク２０および定数管理
基準マーク１２３いずれかに照射する照明光学系１〜６
と、照明された重ね合わせマーク２０および定数管理基
準マーク１２３のいずれか一方からの反射光を光電変換
素子８上に結像させる結像光学系５〜８，１１，２４，
２５と、光電変換素子８からの検出信号に基づいて、２
層に重なる重ね合わせマーク２０の位置ズレを検出する
位置ズレ検出装置９と、検査対象物２１に形成されてい
るアライメントマーク４０を検出するアライメント光学
系と、定数管理基準マーク１２３を結像光学系を介して
光電変換素子８で検出したときの位置と、定数管理基準
マーク１２３をアライメント光学系で検出したときの位
置とに基づいて両光学系の軸間距離を計算する制御系Ｍ
Ｃとを備えることを特徴とする。（４）請求項３のアライメント光学系で検査対象物２１
をアライメントした後、あらかじめ設定されている軸間
距離だけ載置台２２Ｚを移動して、重ね合わせマーク２
０を結像光学系の光軸ＡＸに位置合わせして重ね合わせ
マークを測定する方法において、定数管理基準マーク１
２３をアライメント光学系で検出し、そのときの載置台
２２Ｚの第１の位置を記憶し、定数管理基準マーク１２
３を結像光学系を介して光電変換素子８で検出し、その
ときの載置台２２Ｚの第２の位置を記憶し、記憶された
第１の位置と第２の位置とに基づいて軸間距離を計算
し、今回計算された軸間距離と前回計算された軸間距離
との差分を算出し、その差分をアライメント時の載置台
２２Ｚの移動量にフィードバックすることを特徴とす
る。

【００１０】以上の課題を解決するための手段の項で
は、実施の形態の図を用いて発明を説明したが、これに
より本発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００１１】

【発明の実施の形態】−第１の実施の形態− 本発明による重ね合わせ測定装置の第１の実施の形態を
図１に基づいて説明する。上述したように、半導体製造
のリソグラフィ工程では、下層と上層のパターン、たと
えば第１層のパターンと第２層のパターンを正しい位置
関係で形成する必要がある。そこで、上下層のそれぞれ
の回路パターンに加えて、重ね合わせマークも形成され
る。下層パターンが形成されたウエハ上に上層パターン
を形成したとき、下層パターンと上層パターンの重ね合
わせマークの位置ズレを測定し、上下２層の重ね合わせ
マークの相対位置関係、すなわち位置ズレが所定の誤差
範囲であれば、良品として次工程へ搬送する。図１の重
ね合わせ測定装置はこの位置ズレを測定するものであ
る。

【００１２】図１は、本発明の第1実施の形態による重
ね合わせ測定装置の構成を概略的に示す図である。図1
では、重ね合わせ測定装置の光軸ＡＸに平行にＺ軸が、
光軸に垂直な平面内において図1の紙面に平行な方向に
Ｘ軸が、Ｚ軸およびＸ軸に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ
設定されている。

【００１３】ウエハ２１は、図示を省略したウエハホル
ダを介してＺステージ２２Ｚ上においてＸＹ平面とほぼ
平行に支持されている。Ｚステージ２２Ｚは、ステージ
制御系ＳＣによって、光軸ＡＸに沿って駆動される。Ｚ
ステージ２２ＺはＸＹステージ２２ＸＹ上に支持されて
いる。ＸＹステージ２２ＸＹもステージ制御系ＳＣによ
って、光軸ＡＸに対して垂直なＸＹ平面内において二次
元的に駆動される。

【００１４】Ｚステージ２２Ｚの上面には図２に示す位
置に、シリコンウエハ製のＸ軸方向精度基準マーク２３
ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂが設けられている。
Ｘ軸方向精度基準マーク２３ａは、図３（ａ）、（ｂ）
に示すように、シリコンウエハ上に所定の深さのライン
マークＬＭをＹ軸方向に所定間隔で形成した位相パター
ンである。マークＬＭは、図３に示すように線幅３μ
ｍ、ピッチ６μｍの格子状マークであり、段差は照明光
の中心波長のλ／８に相当する８０ｎｍである。Ｙ軸方
向精度基準マーク２３ｂも同様に、シリコンウエハ上に
所定の深さのラインマークＬＭをＸ軸方向に所定間隔で
形成した位相パターンである。すなわち、あらかじめこ
のような精度基準マーク２３ａ，２３ｂを形成したシリ
コンウエハをＺステージ２２Ｚ上に接着により取り付け
る。こうした位相パターンは、たとえば投影露光装置で
露光処理したシリコンウエハをエッチング処理すること
により、所望の精度で正確な形状に形成することができ
る。

【００１５】図1に示す重ね合わせ測定装置は、照明光
ＡＬを供給するために、たとえばハロゲンランプのよう
な光源１を備えている。光源１からの光は、たとえば図
示しない光ファイバーのようなライトガイドを介して所
定位置まで導かれる。ライトガイドの射出端から射出さ
れた照明光は、照明開口絞り１０で制限された後、図１
（ｂ）に示すような断面形状Ｓ１を有する照明光束とな
ってコンデンサレンズ２に入射する。

【００１６】コンデンサレンズ２を通過した照明光ＡＬ
は、いったん集光された後、照明視野絞り(不図示)を介
して照明リレーレンズ４に入射する。照明リレーレンズ
４により平行光となった照明光ＡＬは、ハーフプリズム
５で下方へ反射された後、第1対物レンズ６に入射す
る。第1対物レンズ６で集光された照明光ＡＬは、ウエ
ハ２１上に形成された重ね合わせマーク２０を照明す
る。また、この照明光ＡＬは、Ｚステージ２２Ｚ上のＸ
軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク
２３ｂを照明する。すなわち、測定装置の結像光学系の
光軸上に位置する種々の測定対象マークを照明すること
ができる。重ね合わせ測定装置の測定誤差を定期的に計
測するとき、測定対象マークはＸ軸方向精度基準マーク
２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂとなり、ウエハ
２１の上下層の重ね合わせマーク２０の位置ズレを計測
するとき、測定対象マークは重ね合わせマーク２０とな
る。

【００１７】このように、光源１、照明開口絞り１０、
コンデンサレンズ２、照明視野絞り(不図示)、照明リレ
ーレンズ４、ハーフプリズム５、および第1対物レンズ
６は、測定対象マークに照明光を照射するための照明光
学系を構成している。

【００１８】照明光ＡＬに対する測定対象マークからの
反射光は、第１対物レンズ６を介してハーフプリズム５
に入射する。ハーフプリズム５で図中上方に透過する光
は、第２対物レンズ７により１次結像面に測定対象マー
クの像を形成する。この像は第１結像リレーレンズ系２
４および第１結像リレーレンズ系２５を介してＣＣＤ８
に入射する。ＣＣＤ８には、露光作業中はショットごと
に重ね合わせマークの像が結像される。また、メンテナ
ンス作業中はＸおよびＹ軸方向精度基準マーク２３ａ、
２３ｂの像が結像される。ＣＣＤ８は、Ｘ軸方向及びＹ
軸方向のパターンの位置を計測する必要があるから、画
素並びがＸ軸及びＹ軸の各方向に延在するＸ軸領域とＹ
軸領域とを有する。なお、第１結像リレーレンズ系２４
および第１結像リレーレンズ系２５の平行光路中には、
結像開口絞り１１が配置されている。

【００１９】このように、第1対物レンズ６、ハーフプ
リズム５、第２対物レンズ７、第１結像リレーレンズ系
２４および第１結像リレーレンズ系２５、および結像開
口絞り１１は、照明光に対する測定対象マークからの反
射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を
構成している。

【００２０】こうして、ＣＣＤ８のＸ軸領域とＹ軸領域
のそれぞれの撮像面に結像された重ね合わせマーク２０
の像や精度基準マーク２３ａ，２３ｂの像は光電変換さ
れてＣＣＤ８から出力される。ＣＣＤ８からの出力信号
は信号処理系９に供給され、信号処理系９において信号
処理(波形処理)により得られる信号強度のプロファイル
は図３（ｃ）に示すようなものとなる。測定対象マーク
の位置情報は、主制御系ＭＣに供給される。そして、主
制御系ＭＣにより、重ね合わせマークの位置ズレ演算
や、後述する測定精度を表す指標βの演算、および測定
誤差ＴＩＳの演算が行われる。

【００２１】図４（ａ）、（ｂ）は、上下の重ね合わせ
マーク２０Ｌ、２０Ｕの一例を示す図である。（ａ）に
示されるように、上地重ね合わせマーク２０Ｕと下地重
ね合わせマーク２０Ｌとの位置ズレは、両者の中心線Ｃ
ＬＵとＣＬＬとのズレ量Ｒで示される。図５に示すよう
に、たとえば第１〜第５ショットＳＲ１〜ＳＲ５の重ね
合わせマークについてそれぞれ重ね合わせズレ量Ｒを検
出する。ここで、図５（ｂ）は（ａ）に対してウエハを
１８０度回転させた状態であり、この実施の形態では、
図５（ａ）と図５（ｂ）の２つの方向、すなわち０度方
向と１８０度方向について、第１〜第５ショットＳＲ１
〜ＳＲ５の位置ズレを検出する。そして、次式（１）に
より、測定誤差ＴＩＳを算出する。ＴＩＳ＝（Ｒ₀＋Ｒ₁₈₀）／２（１）Ｒ₀は図５（ａ）に示す０度方向での位置ズレ量Ｒ₁₈₀は図５（ｂ）に示す１８００度方向での位置ズレ
量

【００２２】なお、実際はウエハ２１上に設定されたす
べてのショットに対して，Ｘ軸方向とＹ軸方向のズレ量
ＲＸとＲＹのそれぞれについて、式（１）で示される測
定誤差ＴＩＳを算出して、測定誤差ＴＩＳが所定値以上
のショットが発生すると露光不良と判定してウエハを不
良品とする。そして、第１の実施の形態では、測定誤差
ＴＩＳがいつも所定値以下になるように、照明光学系と
結像光学系の精度を、後述するいわゆるＱＺ法と呼ばれ
る調整方法により定期的に調整する。

【００２３】後述するように、照明開口絞り１０は駆動
系ＤＣ１０により光軸に対する傾きや光軸方向の位置を
調整され、照明テレセンを調整することができる。結像
開口絞り１１は駆動系ＤＣ１１により光軸に対する傾き
や光軸方向の位置を調整され、反射光束のケラレを調整
することができる。第２対物レンズ７やリレーレンズ２
４は駆動系ＤＣ７や駆動系ＤＣ２４により駆動され、結
像光学系のコマ収差を補正することができる。これら駆
動系ＤＣ１０，１１，７，２４は主制御系ＭＣに接続さ
れ、主制御系ＭＣからの指令により駆動される。主制御
系ＭＣは、たとえばキーボードのような入力装置ＩＰを
介して、各駆動系に対する各種指令を出力してもよい。

【００２４】上述したように、Ｚステージ２２上の精度
基準マーク２３ａ，２３ｂはＣＣＤ８の計測方向に沿っ
て周期的な位相変化を繰り返すデューティ比が1対1の位
相パターンである。なお、後述する光学系の収差測定な
どにおいて鋭敏な検出感度を得るためには、位相パター
ンの反射振幅位相分布の位相変化量Φが、ＣＣＤ８で検
出する光束の中心波長に対して以下の式(２)を満足する
ことが望ましい。 Φ=π（２ｎ−１）／２（ｎは自然数） (２)

【００２５】図６は、位相パターン像の光強度に応じた
信号Ｖを非計測方向に積分した積分信号ΣＶを、計測方
向Ｓに対してプロットした図であって、位相パターン像
の非対称性の指標βを説明するための図である。第1の
実施の形態では、位相パターンからなる精度基準マーク
２３ａ，２３ｂの像がＣＣＤ８のＸ軸領域及びＹ軸領域
の各撮像面にそれぞれ形成される。したがって、図６で
は、ＣＣＤ８からの撮像信号Ｖを非計測方向に積分した
積分信号ΣＶを計測方向Ｓに対してプロットしている。

【００２６】図６に示すように、積分信号ΣＶは、計測
方向Ｓに沿って周期ＢＰ(Ｂ:結像光学系の倍率,Ｐ:Ｚス
テージ２２上における位相パターンＷＭのピッチ)毎に
変化する。第1の実施の形態では、位相パターン像の非
対称性を定量化するために、積分信号ΣＶの分布におい
てｉ番目(図６では２番目)の周期における図中左右の信
号極小値(落ち込みエッジ部の信号値)をそれぞれＶｉＬ
及びＶｉＲ（ｉ＝１，２，３・・・)とする。また、積
分信号ΣＶの両端部分を除き各周期に亘る全体領域にお
いて、信号の最大値および最小値をそれぞれＶmaxおよ
びＶminとする。

【００２７】そして、位相パターン像の非対称性の指標
βを、次の式（３）に基づいて求める。 β＝Σ｛ＶｉＬ−ＶｉＲ／（Ｖmax−Ｖmin）｝／ｎ（３）ここで、ｎは周期数であり、Σはｉ＝１〜ｎまでの総和
記号である。

【００２８】図７および図８は、主制御系ＭＣの指令に
基づきステージ制御系ＳＣがＺステージ２２Ｚを適宜駆
動して得られる各デフォーカス状態での位相パターン像
の非対称性の指標βの変化とコマ収差や光軸ずれ等との
関係を示す図である。結像光学系および照明光学系に残
存収差がなくかつ光軸ずれも存在しない理想的な光学調
整状態では、図７（ａ）において直線Ｌ１で示すよう
に、デフォーカス量Ｚに依存することなく指標βは0で
ある。

【００２９】また、照明光学系において物体面、すなわ
ちウエハ面を照射する照明光ＡＬの主光線がウエハ面の
法線に対して傾斜している場合、すなわち照明テレセン
がある場合には、図７（ｂ）において直線L２で示すよ
うに、デフォーカス量Ｚに依存することなく指標βは一
定のオフセット値Ｂをとる。このオフセット値Ｂは、物
体面の法線に対する照明光の主光線の傾斜量すなわち照
明テレセン量にほぼ比例する。

【００３０】結像光学系にコマ収差が存在する場合、図
８（ａ）において直線Ｌ３で示すように、指標βはデフ
ォーカス量Ｚに依存してほぼ線形的な変化を示す。そし
て、この直線Ｌ３の傾きＣは、コマ収差量にほぼ比例す
る。また、結像光学系において結像光束のケラレが存在
する場合、図８（ｂ）において示すように、指標βはデ
フォーカス量Ｚの変化に応じて折れ線、あるいは破線で
示すような湾曲した曲線Ｌ４で示すような変動を示す。
そして、この折れ線または湾曲線Ｌ４の折れ曲がり量Ｄ
は、結像光束のケラレ量にほぼ比例する。

【００３１】こうして、位相パターン像をデフォーカス
させて得られる指標βとデフォーカス量Ｚとの関係か
ら、オフセット値Ｂにより照明テレセンを、傾きの値Ｃ
によりコマ収差を、折れ曲がり量Ｄから光束ケラレをそ
れぞれ求めることができる。

【００３２】また、上述の説明において、位相パターン
像を検出する領域を所望の範囲に限定してもよい。すな
わち、式（２）において、ｉ＝１〜ｎの範囲を限定して
もよい。このように限定することにより、物体面上の任
意の位置における被検光学系（照明光学系と結像光学
系）の照明テレセン、光束ケラレ、コマ収差を検査する
ことができる。更に、視野の各点に対して上述の検査を
行うことにより、例えば検出視野内の偏心コマ収差と像
高コマ収差とを判別したりすることが可能になる。ま
た、照明テレセンや光束ケラレに関しても同様である。

【００３３】以上、位相パターン像をデフォーカスしな
がら位相パターン像のエッジの非対称性の指標βを計測
することにより、被検光学系の光束ケラレ、照明光の傾
斜、すなわち、照明テレセンに加え、コマ収差を計測す
ることについて説明した。次に、これらの検査情報(検
出結果)に基づいて行われる補正や調整、すなわち被検
光学系の収差に関する調整の方法や、照明テレセンに関
する照明開口絞りの位置調整の方法、反射光のケラレに
関する結像開口絞りの位置調整の方法について説明す
る。

【００３４】まず、照明テレセン(照明光の傾斜)の調整
を行うには、照明開口絞り１０の位置調整を行う。具体
的には、図７（ｂ）に示すオフセット値Ｂがゼロとなる
ように、駆動系ＤＣ１０を介して照明開口絞り１０を光
軸に対して垂直方向または並進方向にトライアンドエラ
ー方式で適宜駆動し、最適値を決定する。なお、コンデ
ンサレンズ２と前段あるいは後段の光路中に、または照
明リレーレンズ４とハーフプリズム５との間の光路中
に、平行平面板を設けてもよい。この平行平面板を傾斜
させることによって、照明テレセンの調整を行うことが
できる。

【００３５】結像光束のケラレの調整を行うには、結像
開口絞り１１の位置調整を行う。具体的には、図８
（ｂ）に示す折れ曲がり量Ｄが最小となるように、駆動
系ＤＣ１１を介して結像開口絞り１１を光軸に対して垂
直方向または並進方向にトライアンドエラー方式で適宜
駆動し、最適値を決定する。なお、ハーフプリズム５と
第２対物レンズ７との間の光路中に、またはリレーレン
ズ２４とリレーレンズ２５との間であって結像開口絞り
１１よりもウエハ２１側の光路中に平行平面板を設けて
もよい。この平行平面板を傾斜させることによって、結
像光束のケラレ、すなわち反射光束のケラレ調整を行う
こともできる。

【００３６】結像光学系の球面収差の補正を行うには、
図８（ａ）に示す傾きＣが最小となるように、例えば、
第２対物レンズ７やリレーレンズ２４を光軸に沿ってト
ライアンドエラー方式で適宜駆動し、最適値を決定す
る。あるいは、第２対物レンズ７とリレーレンズ２４と
の間隔を変化させることにより、結像光学系の球面収差
を補正することができる。また、Ｚステージ２２を駆動
してウエハ面と第1対物レンズ６との間隔を変化させる
ことによっても、球面収差を制御することができる。た
だしこの場合には、ＣＣＤ８を光軸方向に適当に並進さ
せることにより、ＣＣＤ８の撮像面上での像のデフォー
カス分を吸収しなければならない。

【００３７】なお、結像光学系の偏心コマ収差は、第２
対物レンズ７やリレーレンズ２４のレンズ系全体または
一部のレンズを光軸に対して垂直に偏心駆動することに
より補正が可能である。また、光軸上非点収差の補正を
行うには、ＣＣＤ８を光軸方向に沿って適宜移動させれ
ばよい。

【００３８】さらに、像高コマ収差、像面湾曲、像面傾
斜などの収差は、光学設計上の考慮や製造上の管理で通
常問題になることは少ない。しかしながら、結像光学系
の一部のレンズ系のレンズタイプを変更して入れ替えた
り、一部のレンズ系を偏心させたりすることにより、こ
れらの収差も必要に応じて補正することができる。色収
差の補正に関しても、これらの収差と同様である。

【００３９】以上説明したように、第１の実施の形態の
重ね合わせ測定装置では、Ｚステージ２２上にＸ軸方向
精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂ
を設けている。ウエハ露光処理作業中に、たとえば、所
定時間ごとに、ウエハの露光処理を中断してＸＹステー
ジ２２ＸＹにより測定装置の光軸ＡＸ上に上記Ｘ軸方向
精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂ
を位置決めする。その上で、Ｚ軸ステージ２２Ｚを主制
御系ＭＣの制御のもとで昇降して、図７（ｂ）、図８
（ａ）、（ｂ）のそれぞれの値Ｂ、Ｄ、Ｃを計測する。
これらの値がもっとも小さくなるように、駆動系ＤＣ１
０，１１，７，２４により、照明開口絞り１０、結像開
口絞り１１、第２対物レンズ７、リレーレンズ２４をト
ライアンドエラー方式で適宜駆動し、最適値を決定す
る。この駆動制御は、たとえば、主制御系ＭＣの制御に
より全自動で行うこともできるし、一部作業者が入力装
置ＩＰにより手動で制御してもよい。

【００４０】このように、Ｚステージ２２Ｚ上に精度基
準マーク２３ａ，２３ｂを設けたので、ウエハ露光処理
作業を中断して、適宜、測定装置の光軸上に上記Ｘ軸方
向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３
ｂを位置決めして測定誤差を測定する作業が簡単にな
る。すなわち、従来のように精度基準マークを有する標
準ウエハをＺステージ２２上にセットして測定誤差を測
定する方法では、標準ウエハの搬送、セット、位置決
め、取り外し搬送などに時間を要するので、ウエハ露光
処理作業を中断する時間が長くなる。そして、不良品の
発生頻度が大きくなったときに精度を計測し調整してい
たので、不良品の発生頻度が大きくなり、全体としての
スループットが低下する。この点、第１の実施の形態の
ようにすれば、不良品の発生がなくなり、全体としての
スループットも向上する。

【００４１】−第２の実施の形態− 本発明による測定装置の第２の実施の形態を図９に基づ
いて説明する。図９は図１に示した重ね合わせ測定装置
とそのアライメント光学系とを示している。重ね合わせ
測定装置で重ね合わせマークを検出するとき、重ね合わ
せマークを測定装置の光軸ＡＸに正しく位置決めするた
め、アライメント光学系でウエハ２１をアライメントす
る。重ね合わせ測定装置は図１と同一であり説明は省略
する。

【００４２】図９に示すアライメント光学系は、照明光
ＡＡＬを供給するために、たとえばハロゲンランプのよ
うな光源３１を備えている。光源３１からの光は、たと
えば図示しない光ファイバーのようなライトガイドを介
して所定位置まで導かれる。ライトガイドの射出端から
射出された照明光は、コンデンサレンズ３２に入射して
１次結像面で結像する。この１次結像面には図９（ｃ）
に示すような形状の開口Ｓ２を有する照明視野絞り３３
が配設されている。

【００４３】照明視野絞り３３で開口形状Ｓ２のように
規定された照明光は、照明リレーレンズ３４に入射す
る。照明リレーレンズ３４により平行光となった照明光
ＡＡＬは、ハーフプリズム３５で下方へ反射された後、
第1対物レンズ３６に入射する。第1対物レンズ３６で集
光された照明光ＡＡＬは、ウエハ２１上に形成されたア
ライメントマーク４０を照明する。また、照明光ＡＡＬ
は、Ｚステージ２２Ｚ上の定数管理基準マーク１２３を
照明する。すなわち、照明光ＡＡＬは、アライメント光
学系の結像光学系の光軸ＡＡＸ上に位置する種々の測定
対象マークを照明することができる。また、定数管理基
準マーク１２３は、重ね合わせ測定装置の結像光学系の
光軸ＡＸ上に位置決めすることができるので、測定装置
の照明光ＡＬによっても照明される。定数管理基準マー
ク１２３については後述する。

【００４４】このように、光源３１、コンデンサレンズ
３２、照明視野絞り３３、照明リレーレンズ３４、ハー
フプリズム３５、および第1対物レンズ３６は、測定対
象マークに照明光を照射するための照明光学系を構成し
ている。

【００４５】照明光ＡＡＬに対する測定対象マークから
の反射光は、第１対物レンズ３６を介してハーフプリズ
ム３５に入射する。ハーフプリズム３５で図中上方に透
過する光は、第２対物レンズ３７によりＣＣＤ３８の結
像面に結像する。すなわち、ＣＣＤ３８の撮像面には測
定対象マークの像が結像する。ＣＣＤ３８には、露光作
業中はショットごとにアライメントマーク４０の像が結
像される。また、ＣＣＤ３８には、メンテナンス作業中
は定数管理基準マーク１２３の像が結像される。ＣＣＤ
３８の出力信号は信号処理系３９に入力されて所定の信
号処理が施され、露光作業中はアライメントマーク４０
の位置が検出される。メンテナンス作業中は定数管理基
準マーク１２３の位置が検出される。メンテナンス作業
中、定数管理基準マーク１２３は測定装置のＣＣＤ８で
も撮像される。この場合、ＣＣＤ８の出力信号を受けた
信号処理系９は入力信号に対して所定の信号処理を施
し、定数管理基準マーク１２３の位置を検出する。

【００４６】ここで、第1対物レンズ３６、ハーフプリ
ズム３５、第２対物レンズ３７は、照明光に対する測定
対象マークからの反射光に基づいてマーク像を形成する
ための結像光学系を構成している。

【００４７】図１０は定数管理基準マーク１２３を示す
図である。図１０に示すように、定数管理基準マーク１
２３は、大きな十字マーク１２３Ａと、大きな十字マー
ク１２３Ａの中心に相似形状で形成された小さな十字マ
ーク１２３Ｂとで構成されている。図１０において、Ｓ
１１は測定装置の視野領域を示し、Ｓ２１はアライメン
ト光学系の視野領域を示す。そして、ウエハ２１上のア
ライメントマーク４０はたとえば十字形状の段差マーク
である。

【００４８】このようなアライメント光学系を付設する
測定装置では、アライメント光学系の光軸ＡＡＸと測定
装置の光軸ＡＸとの軸間距離、すなわちベースライン距
離をあらかじめ計測しておく。そして、重ね合わせマー
クの位置ズレ測定に際して、アライメント光学系のＣＣ
Ｄ３８によりウエハ２０上のアライメントマーク４０を
検出し、その検出結果に基づいてアライメントマーク４
０をアライメント光学系の光軸に正しく位置決めする。
そして、あらかじめ定められているベースライン距離だ
けＸＹステージ２２ＸＹを移動する。これにより、ウエ
ハ２０上の重ね合わせマーク２０が測定装置の光軸ＡＸ
に正しく位置決めされる。

【００４９】上述したベースライン距離は経時変化す
る。そこで、Ｚステージ２２Ｚ上の定数管理基準マーク
１２３により、定期的にベースライン距離を計測する。
まず、定数管理基準マーク１２３をアライメント光学系
の光軸ＡＡＸ上に位置決めする。このとき、ＣＣＤ３８
の出力信号に基づいて、大きな十字マーク１２３Ａがア
ライメント視野Ｓ２１の中心にくるようにＸＹステージ
２２ＸＹでＺステージ２２Ｚを２次元移動する。すなわ
ち、信号処理系３９からの信号により、主制御系ＭＣ
（図１参照）により、ＸＹステージ２２ＸＹによるＺス
テージ２２Ｚの駆動量を計算し、ステージ制御系ＳＣ
（図１参照）によりＸＹステージ２２ＸＹが移動する。
そして、このＸＹステージ２２ＸＹの位置を図示しない
位置検出装置が計測する。その後、ＸＹステージ２２Ｘ
Ｙを移動して、定数管理基準マーク１２３を測定装置の
光軸ＡＸ上に位置決めする。

【００５０】このとき、ＣＣＤ８の出力信号に基づい
て、小さな十字マーク１２３Ｂが測定視野Ｓ１１の中心
にくるようにＸＹステージ２２ＸＹを移動する。すなわ
ち、信号処理系９からの信号により主制御系ＭＣがＸＹ
ステージ２２ＸＹの駆動量を計算し、ステージ制御系Ｓ
ＣによりＸＹＺステージ２２ＸＹが移動する。そして、
このＸＹステージ２２ＸＹの測定位置を図示しない位置
検出装置で計測する。このようにして検出したアライメ
ント位置と測定位置の差分がベースライン距離であり、
先に決定されていたベースライン距離との差分が、以降
の補正値となる。すなわち、検査処理中にアライメント
位置から測定位置へＺステージ２２Ｚを移動する際に上
記補正値がベースライン距離演算においてフィードバッ
クされる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。（１）請求項１の発明では、検査対象物を載置する載置
台に精度基準マークを設け、この精度基準マークを使用
することにより、測定装置の光学系の精度を計測して調
整する作業を短時間で行えるようにした。その結果、従
来のように、測定誤差が大きくなってから専用の標準ウ
エハを使用して精度を測定して調整する場合に比べて、
全体的なスループットを向上できる。（２）載置台上に設けた定数管理基準マークを用いてア
ライメント光学系の光軸と重ね合わせ測定装置の光軸と
の間の距離を計測可能としたので、従来のように、定数
管理基準マークが形成された標準ウエハを用いる場合に
比べてスループットが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による重ね合わせ測定装置の第１の実施
の形態を示す概略図

【図２】精度基準マークのＺステージ上での位置を説明
する図

【図３】精度基準マークの詳細を説明する図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は画像信号強
度のプロファイル図

【図４】ウエハ重ね合わせマークを説明する図

【図５】ウエハ上におけるウエハ重ね合わせマークの配
置例を模式的に示す図

【図６】ＣＣＤからの撮像信号を非計測方向に積分した
積分信号ΣＶを示す図

【図７】デフォーカス状態での位相パターン像の非対称
性の指標βの変化と照明テレセンとの関係示す図

【図８】デフォーカス状態での位相パターン像の非対称
性の指標βの変化とコマ収差や光軸ズレなどとの関係示
す図

【図９】本発明による重ね合わせ測定装置にアライメン
ト光学系を付設した第２の実施の形態を示す概略図

【図１０】第２の実施の形態における定数管理基準マー
クの一例を示す図

【符号の説明】

１、３１：ハロゲンパンプ２、３２：
コンデンサレンズ４，３４，リレーレンズ６，３６：
対物レンズ８，３８：ＣＣＤ９，３９：
信号処理系１０：照明系開口絞り１１：
結像系開口絞り２０：重ね合わせマーク２１：ウエ
ハ２２Ｚ：Ｚステージ２２ＸＹ：
ＸＹステージ２３ａ，２３ｂ：精度基準マーク２５，３７：
結像レンズ４０：アライメントマーク１２３：
定数管理基準マークＳＣ：ステージ制御系ＭＣ：
主制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA03 AA07 BB27 CC20 DD08 EE08 FF01 GG02 JJ03 JJ26 LL10 LL30 LL46 MM03 PP23 QQ13 QQ14 QQ28 5F046 EA03 EA09 EB01 EB03 EC05 FA10 FA17 FC04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】精度基準マークが設けられ、検査対象物を
載置する載置台と、照明光を出射する照明光源と、前記
照明光源からの照明光を前記検査対象物上の重ね合わせ
マークおよび前記精度基準マークのいずれかに照射する
照明光学系と、照明された前記重ね合わせマークおよび
精度基準マークのいずれか一方からの反射光を光電変換
素子上に結像させる結像光学系と、前記光電変換素子か
らの検出信号に基づいて、２層に重なる前記重ね合わせ
マークの位置ズレを検出する位置ズレ検出装置とを備え
ることを特徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項２】請求項１の重ね合わせ測定装置において、
前記精度基準マークの反射光を受光する光電変換素子か
らの検出信号に基づいて、前記照明光学系及び結像光学
系の少なくともいずれか一方の光学性能を検出する光学
性能検出装置と、前記検出された光学性能を調整する調
整装置とを備えることを特徴とする重ね合わせ測定装
置。
【請求項３】定数管理基準マークが設けられ、検査対象
物を載置する載置台と、照明光を出射する照明光源と、
前記照明光源からの照明光を前記検査対象物上の重ね合
わせマークおよび前記定数管理基準マークのいずれかに
照射する照明光学系と、照明された前記重ね合わせマー
クおよび定数管理基準マークのいずれか一方からの反射
光を光電変換素子上に結像させる結像光学系と、前記光
電変換素子からの検出信号に基づいて、２層に重なる前
記重ね合わせマークの位置ズレを検出する位置ズレ検出
装置と、前記検査対象物に形成されているアライメント
マークを検出するアライメント光学系と、前記定数管理
基準マークを前記結像光学系を介して光電変換素子で検
出したときの位置と、前記定数管理基準マークを前記ア
ライメント光学系で検出したときの位置とに基づいて両
光学系の軸間距離を計算する制御系とを備えることを特
徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項４】請求項３のアライメント光学系で前記検査
対象物をアライメントした後、あらかじめ設定されてい
る軸間距離だけ前記載置台を移動して、前記重ね合わせ
マークを前記結像光学系の光軸に位置合わせして重ね合
わせマークを測定する方法において、前記定数管理基準
マークを前記アライメント光学系で検出し、そのときの
載置台の第１の位置を記憶し、前記定数管理基準マーク
を前記結像光学系を介して前記光電変換素子で検出し、
そのときの載置台の第２の位置を記憶し、前記記憶され
た前記第１の位置と第２の位置とに基づいて、前記軸間
距離を計算し、今回計算された軸間距離と前回計算され
た軸間距離との差分を算出し、その差分を前記アライメ
ント時の前記載置台の移動量にフィードバックすること
を特徴と重ね合わせ測定方法。