JP2003329927A

JP2003329927A - 測定装置及び対物レンズ

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Publication number: JP2003329927A
Application number: JP2002141095A
Authority: JP
Inventors: Noboru Amamiya; 昇雨宮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】【課題】結像光学系の形成する被検物の像に基づいて
その被検物上の特定の被測定領域を測定する測定装置に
ついて、その結像光学系の結像性能に起因して生じる測
定装置の測定誤差を簡単かつ確実に抑える。【解決手段】物体側がテレセントリックな結像光学系
（Ｌ）を使用すると共に、位置及び／又は姿勢の変更可
能な開口絞り（１２）を設ける。そして、結像光学系の
視野内における前記被測定領域（Ｍ）の位置に応じて前
記開口絞りの状態を最適化すれば、その被測定領域を良
好に表現する像が形成されるので、その結果、測定精度
が高まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ上の重ね合
わせマークを高精度に測定する重ね合わせ測定装置な
ど、結像光学系の形成する被検物の像に基づいてその被
検物上の特定の被測定領域を測定する測定装置、及びそ
れに使用される対物レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】重ね合わせ測定装置など、被検物（ウエ
ハ）上の微細な被測定領域（重ね合わせマーク）を高精
度に測定する測定装置には、物体側がテレセントリック
である結像光学系が使用されることがある。この結像光
学系は、視野内の各位置から射出する各結像光束の各主
光線が、物体側で光軸と平行になるよう設計されてお
り、視野内の各位置にて発生した必要な回折光を十分に
結像に寄与させることができるので、高性能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのテ
レセントリック性は、たとえ設計上良好であっても、結
像光学系の各部の製造誤差や取り付け誤差などによっ
て、実際は若干低下している。また、結像光学系の開口
数が大きくなるほど、また、その焦点距離が短くなるほ
ど、テレセントリック性を高くすることは難しい。

【０００４】よって、測定装置による測定結果には、結
像光学系の結像性能に起因する誤差が重畳されている。
そこで本発明は、結像光学系の結像性能に起因して生じ
る測定誤差を簡単かつ確実に抑えることの可能な測定装
置、及びその測定装置に適した対物レンズを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の測定装
置は、物体側がテレセントリックであると共に、位置及
び／又は姿勢の変更可能な開口絞りを有し、被検物の像
を形成する結像光学系と、前記結像光学系により形成さ
れる前記被検物の像に基づいてその被検物上の特定の被
測定領域を測定する測定手段と、前記結像光学系の視野
内における前記被測定領域の位置に応じて、前記開口絞
りの位置及び／又は姿勢を設定する制御手段とを備えた
ことを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載の対物レンズは、請求項１
に記載の測定装置の前記結像光学系としての対物レンズ
であり、その内部に、前記開口絞りと、前記開口絞りを
光軸方向に移動させる第１駆動手段とを備えたことを特
徴とする。請求項３に記載の対物レンズは、請求項２に
記載の対物レンズにおいて、前記開口絞りを開口中心を
基準として揺動させる第２駆動手段をさらに備えたこと
を特徴とする。

【０００７】請求項４に記載の対物レンズは、請求項１
に記載の測定装置の前記結像光学系としての対物レンズ
であり、その内部に、前記開口絞りと、前記開口絞りを
開口中心を基準として揺動させる第２駆動手段とを備え
たことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態について説明する。

【０００９】［第１実施形態］図１、図２に基づいて本
発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施
形態の原理を説明する図である。図１に示す結像光学系
（対物レンズ）Ｌは物体側（図の下側）がテレセントリ
ックに設計されている。

【００１０】つまり、視野Ｆ内の各位置Ｘ₀，・・・，
Ｘ_Hから射出する各結像光束の各主光線（開口絞り１２
の中心を通る光線）が、物体側で光軸Ｚと平行になるよ
う設計されている。このとき、視野Ｆ内の各位置Ｘ₀，
・・・，Ｘ_Hから射出する各０次回折光が、それぞれ主
光線（開口絞り１２の中心を通る光線）となり、０次回
折光の周りに対称な回折光からなる光束（以下、単に
「対称な回折光束」という。）のみが開口絞り１２を通
過して結像に寄与するはずである。

【００１１】しかし、実際には、結像光学系Ｌのテレセ
ントリック性は完全ではないので、開口絞り１２が、た
とえ、視野Ｆ内の像高０の位置Ｘ₀から射出する対称な
回折光束（図１中太線で示す光束）を適正に通過させた
としても、視野Ｆ内の他の位置（例えば、最大像高の位
置Ｘ_H）から射出する対称な回折光束（図１中細線で示
す光束）については、その一部を制限すると共に余分な
回折光を通過させてしまい、その結果、非対称な回折光
束（図１細点線で示す光束）を結像に寄与させる可能性
がある。

【００１２】よって、開口絞り１２の開口を配置すべき
領域は、視野Ｆ内の各位置Ｘ_iにより微妙にずれると考
えられる。なお、或る位置Ｘ_iについて開口絞り１２の
開口を配置すべき領域ＡＳ_iは、その位置Ｘ_iから射出す
る対称な回折光束の断面に相当するのであれば何れの領
域でもよいが、そのうち、その中心が光軸Ｚに一致する
領域であり、かつ位置Ｘ₀（像高０の位置）について開
口絞り１２の開口を配置すべき領域と同大な領域を、特
に位置Ｘ_iについての「瞳面ＡＳ_i」と称す。

【００１３】本実施形態では、瞳面ＡＳ_iが視野Ｆ内の
各位置Ｘ_iについてそれぞれ１つずつ存在するとみな
し、開口絞り１２を積極的に移動させる。ここで、結像
光学系Ｌによっては、各瞳面ＡＳ_iが光軸Ｚの方向に互
いにずれる（瞳の収差が生じる）場合と、その中心（光
軸Ｚ）を基準として互いに傾斜する場合とがあるが、図
１に示す本実施形態の結像光学系Ｌは、前者とする。図
１では、位置Ｘ₀についての瞳面ＡＳ₀と、位置Ｘ_Hにつ
いての瞳面ＡＳ_Hとが光軸Ｚの方向にずれた様子を示し
た。

【００１４】そこで、本実施形態では、開口絞り１２
を、光軸Ｚの方向に移動させる。図２は、本実施形態の
重ね合わせ測定装置の構成図である。本実施形態の重ね
合わせ測定装置は、以上説明したような結像光学系Ｌ
（物体側がテレセントリックになるよう設計されたも
の）を適用し、かつその結像性能に起因して生じる測定
誤差を簡単かつ確実に抑えるよう構成したものである。

【００１５】重ね合わせ測定装置には、結像光学系Ｌ、
撮像素子１４、ウエハＷを支持するウエハステージ１
５、制御部１１、演算部１８（コンピュータなど）が備
えられる。ウエハＷの表面が結像光学系Ｌの物体面に一
致し、また、撮像素子１４の撮像面が結像光学系Ｌの像
面Ｉに一致する。

【００１６】結像光学系Ｌには、予め、開口絞り１２を
光軸Ｚの方向に移動させるピエゾ素子１３が設けられ
る。このピエゾ素子１３は、例えば、開口絞り１２と、
その近傍のレンズＬ２を支持するレンズ室Ｈ２の間など
に介設される。なお、移動範囲は、視野Ｆ内の位置Ｘ₀
についての瞳面ＡＳ₀の近傍の十数μｍ程度でよい。

【００１７】また、図２では、結像光学系Ｌが３つのレ
ンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３からなるが、この構成に限らな
い。また、結像光学系Ｌは、全体が１つの鏡筒に収めら
れていても、一部ずつ複数の鏡筒に収められていてもよ
い。また、図２では省略したが、結像光学系Ｌの一部又
は全部を介して結像光学系Ｌの視野Ｆを照明する照明光
学系が備えられる。また、照明光の導入の仕方について
は、結像光学系Ｌを無限遠系とすると共に、撮像素子１
４の前段にリレー光学系を挿入し、さらに分岐プリズム
を挿入するなどの周知の手法が適用される。

【００１８】ところで、演算部１８は、ウエハＷの情報
を予め格納しており、その情報に基づいてウエハＷの表
面に形成された重ね合わせマークＭの画像（例えば、図
２右下（ａ））を取得するよう、制御部１１に指示を出
す。制御部１１は、その指示に応じて、撮像素子１４、
ウエハステージ１５などを駆動制御し、結像光学系Ｌの
視野Ｆが図２右下（ａ）のように重ね合わせマークＭを
捉えるよう設定する。その状態で撮像素子１４を駆動
し、視野Ｆ内の画像（図２右下（ａ））を取得する。こ
の画像（図２右下（ａ））は、演算部１８に取り込まれ
た後、処理される。

【００１９】演算部１８は、図２右下（ｂ）に示すよう
に、その画像のうち、重ね合わせマークＭの画像に着目
し、重ね合わせマークＭのエッジ検出や、線幅の測定、
さらにそれら測定結果に基づく重ね合わせ精度の算出、
重ね合わせの良否の判定などを行う。ここで、本実施形
態の演算部１８には、ウエハＷの情報だけでなく、図２
右上（ｃ）に示すように、結像光学系Ｌの視野Ｆ内の各
位置Ｘ_iと、各位置Ｘ_iについての瞳面ＡＳ_iの位置、つ
まり開口絞り１２を配置すべき光軸Ｚ方向の位置Ｓ_iと
の対応関係を示す情報（最適絞り位置情報）が格納され
ている。各位置Ｘ_iに対応する各位置Ｓ_iは、予め結像光
学系Ｌから測定される。

【００２０】なお、視野Ｆにおいて光軸Ｚからの距離が
互いに等しい２つの位置Ｘ_a，Ｘ_bについては、瞳面ＡＳ
_a、ＡＳ_bも互いに一致するので、この最適絞り位置情報
は、少なくとも視野Ｆ内の各径位置Ｘ₀，・・・，Ｘ_Hに
ついての情報であればよい。本実施形態の演算部１８
は、前記した視野Ｆ内の画像を取得するに当たり、予め
格納されたウエハＷの情報、及び／又は試験的に取得し
た視野Ｆの画像などから、視野Ｆ内における重ね合わせ
マークＭの径位置Ｘ_iを認識する。そして、前記最適絞
り位置情報（図２右上（ｃ））を参照し、その径位置Ｘ
_iに対応づけられた位置Ｓ_iの情報を取得する。

【００２１】さらに、演算部１８は、制御部１１に対し
その位置Ｓ_iに開口絞り１２を配置するよう指示を出
す。制御部１１は、ピエゾ素子１３に対し、開口絞り１
２をその位置Ｓ_iに配置するために必要な駆動信号を与
える。このようにして開口絞り１２が位置Ｓ_iに配置さ
れた状態では、視野Ｆの位置Ｘ_iから射出される対称な
回折光束は結像光学系Ｌに結像光束として確実に取り込
まれるので、視野Ｆ内の画像（図２右下（ａ））のうち
少なくとも重ね合わせマークＭ（視野Ｆ内の径位置Ｘ_i
に配置されている。）については、確実に良好に表現さ
れる。

【００２２】したがって、演算部１８における重ね合わ
せマークＭについての処理（図２右下（ｂ））は、たと
えその処理方法が従来と同じであったとしても、重ね合
わせマークＭが良好に表現された分だけ、精度高く行わ
れる。以上、本実施形態によれば、視野Ｆ内の重ね合わ
せマークＭの位置に応じて開口絞り１２の位置が最適化
されるので、重ね合わせマークＭを良好に表現する画像
が取得され、その結果、測定精度が高まる。

【００２３】ここで、開口絞り１２を光軸方向に移動さ
せることのない従来の重ね合わせ測定装置は、瞳面のず
れによる影響を小さくするべく、撮像素子１４の前段に
リレー光学系を配置し、リレー光学系中に形成される比
較的小さい角度の光束中に開口絞り１２を挿入する必要
があった。しかし、本実施形態のように、開口絞り１２
を積極的に移動させて瞳面のずれを補償すれば、開口絞
り１２の挿入位置に対する自由度が高まるので、図２に
示すようなレンズ構成の簡略化が可能となっている。

【００２４】また、本実施形態の重ね合わせ測定装置に
も、図示しなかったが、測定前のアライメント用とし
て、開口絞り１２の光軸Ｚとは垂直な方向の位置を微調
整するＸＹステージを設けてもよいことはいうまでもな
い。このようなＸＹステージは、高精度な光学機器に一
般的に設けられている。なお、本実施形態において、開
口絞り１２の位置を移動する手段としては、上記したピ
エゾ素子に限定されず、Ｚステージやカム機構などの他
の手段を適用してもよいことは言うまでもない。因み
に、移動距離が微小な場合は、ピエゾ素子を使用するこ
とが簡易であり、また高速移動が可能である点で好まし
い。

【００２５】［第２実施形態］図３、図４に基づいて本
発明の第２実施形態について説明する。ここでは、第１
実施形態との相違点についてのみ説明する。図３は、本
実施形態の原理を説明する図である。本実施形態の結像
光学系Ｌ’も、第１実施形態の結像光学系Ｌと同様、物
体側（図の下側）がテレセントリックに設計されてい
る。

【００２６】また、第１実施形態の結像光学系Ｌ’と同
様、テレセントリック性は完全ではないので、視野Ｆ内
の各位置Ｘ_ijについての各瞳面ＡＳ_ijは互いにずれてい
る。但し、本実施形態の結像光学系Ｌ’は、第１実施形
態の結像光学系Ｌとは異なり、各瞳面ＡＳ_ijが光軸Ｚ
（つまり瞳面の中心）を基準として互いに傾斜する。な
お、この場合、視野Ｆにおいて光軸Ｚからの距離が等し
い２つの位置Ｘ_a，Ｘ_bであっても、その瞳面ＡＳ_a、Ａ
Ｓ_bは互いにずれる可能性がある。

【００２７】図３では、位置Ｘ₀₀についての瞳面ＡＳ₀₀
と、位置Ｘ_ijについての瞳面ＡＳ_ijとがそれらの中心を
基準として互いに傾斜した様子を示した。そこで、本実
施形態では、開口絞り１２の姿勢を、その中心を基準と
して変化させる。図４は、本実施形態の重ね合わせ測定
装置の構成図である。

【００２８】本実施形態の重ね合わせ測定装置は、以上
説明したような結像光学系Ｌ’を適用し、かつその結像
性能に起因して生じる測定誤差を簡単かつ確実に抑える
よう構成したものである。本実施形態の重ね合わせ測定
装置には、第１実施形態の重ね合わせ測定装置におい
て、結像光学系Ｌ、制御部１１、演算部１８に代えて結
像光学系Ｌ’、制御部２１、演算部２８を備えたものに
等しい。

【００２９】結像光学系Ｌ’には、予め、開口絞り１２
を、その中心を基準として傾斜させるピエゾ素子２３、
及びθステージ２４が設けられる。このピエゾ素子２
３、θステージ２４は、例えば、開口絞り１２と、その
近傍のレンズＬ２を支持するレンズ室Ｈ２との間などに
この順で介設される。つまり、θステージ２４は、開口
絞り１２の光軸Ｚの周りの回動角度Θを設定し、ピエゾ
素子２３は、そのθステージ２４上で光軸Ｚとは垂直な
軸の周りの開口絞り１２の傾斜角度θを設定する。

【００３０】これらθステージ２４とピエゾ素子２３と
によれば、開口絞り１２をその中心を基準として揺動さ
せ、その中心を基準としたあらゆる姿勢に設定できる。
制御部２１、演算部２８は、基本的に第１実施形態の制
御部１１、演算部１８と同じ動作をするが、開口絞り１
２の姿勢を変化させるのに伴い、一部相違している。以
下、それらの相違点について主に説明する。

【００３１】本実施形態の演算部２８には、ウエハＷの
情報だけでなく、図４右上（ｃ）に示すように、結像光
学系Ｌの視野Ｆ内の各位置Ｘ_ijと、各位置Ｘ_iについて
の瞳面ＡＳ_iの位置、つまり開口絞り１２に設定すべき
姿勢（Θ_ij，θ_ij）との対応関係を示す情報（最適絞り
姿勢情報）が格納されている。各位置Ｘ_ijに対応する各
姿勢（Θ_ij，θ_ij）は、予め結像光学系Ｌから測定され
る。

【００３２】演算部２８は、視野Ｆ内の画像の取得に当
たり、予め格納されたウエハＷの情報、及び／又は試験
的に取得した視野Ｆの画像などから、視野Ｆにおける重
ね合わせマークＭの位置Ｘ_ijを認識する。そして、前記
最適絞り姿勢情報（図４右上（ｃ））を参照し、その位
置Ｘ_ijに対応づけられた姿勢（Θ_ij，θ_ij）の情報を取
得する。

【００３３】さらに、演算部２８は、制御部２１に対し
その姿勢（Θ_ij，θ_ij）を開口絞り１２に設定するよう
指示を出す。制御部２１は、ピエゾ素子２３及びθステ
ージ２４に対し、開口絞り１２をその姿勢（Θ_ij，
θ_ij）に設定するために必要な駆動信号を与える。この
ようにして開口絞り１２が姿勢（Θ_ij，θ_ij）に設定さ
れた状態で、前記視野Ｆ内の画像（図４右下（ａ））が
取得されれば、第１実施形態と同様の理由でその画像の
うち少なくとも重ね合わせマークＭ（視野Ｆ内の位置Ｘ
_ijに配置されている。）は、確実に良好に表現される。

【００３４】したがって、演算部２８における重ね合わ
せマークＭについての処理（図４右下（ｂ））は、たと
えその処理方法が従来と同じであったとしても、重ね合
わせマークＭが良好に表現された分だけ、精度高く行わ
れる。以上、本実施形態では、第１の実施形態と異な
り、視野Ｆ内の重ね合わせマークＭの位置に応じて最適
化するのが、開口絞り１２の光軸Ｚの方向の位置ではな
く開口絞り１２の姿勢であるが、第１実施形態と同様に
重ね合わせマークＭを良好に表現する画像が取得される
ので、測定精度が高まる。

【００３５】ここで、開口絞り１２の姿勢を変化させる
ことのない従来の重ね合わせ測定装置は、瞳面のずれに
よる影響を小さくするべく、撮像素子１４の前段にリレ
ー光学系を配置し、リレー光学系中に形成される比較的
小さい角度の光束中に開口絞り１２を挿入する必要があ
った。しかし、本実施形態のように、開口絞り１２の姿
勢を積極的に変化させて瞳面のずれを補償すれば、開口
絞り１２の挿入位置に対する自由度が高まるので、図４
に示すようなレンズ構成の簡略化が可能となっている。

【００３６】また、本実施形態の重ね合わせ測定装置に
も、図示しなかったが、測定前のアライメント用とし
て、開口絞り１２の光軸Ｚとは垂直な方向の位置を微調
整するＸＹステージを設けてもよいことはいうまでもな
い。このようなＸＹステージは、高精度な光学機器に一
般的に設けられている。なお、本実施形態において、開
口絞り１２の姿勢を変更する手段としては、ピエゾ素子
とθステージとの組み合わせに限定されず、ＸＹＺステ
ージやカム機構など他の手段を適用してもよい。

【００３７】［その他］なお、上記各実施形態では、開
口絞り１２の位置又は姿勢を、視野Ｆ内の重ね合わせマ
ークＭの位置に応じて変化させているが、さらに柔軟
に、例えば、重ね合わせマークＭ内の各測定ポイントに
応じて変化させてもよい。すなわち、図２（ｂ）又は図
４（ｂ）に示すように、１つの重ね合わせマークＭに
は、演算部による線幅等の測定ポイントが幾つか（少な
くとも２つ）存在する。従来は、一枚の視野内の画像か
ら、重ね合わせマークＭの複数の測定ポイントをそれぞ
れ測定していたが、開口絞り１２の位置又は姿勢をそれ
ら複数の測定ポイント毎に設定してそれぞれ画像を取得
し、それら画像に基づいてそれぞれの測定ポイントを測
定する。そうすれば、各測定ポイントをそれぞれ高精度
に測定することができるので、第１実施形態や第２実施
形態よりもさらに測定を高精度化することが可能であ
る。

【００３８】また、上記各実施形態は、有限の位置に結
像する結像光学系Ｌ、Ｌ’について説明したが、本発明
は、無限遠の位置に結像する無限遠系の結像光学系、及
び無限遠系の結像光学系を備えた測定装置にも適用可能
である。また、上記第１実施形態と第２実施形態とを組
み合わせて、各瞳面の光軸方向のずれと、各瞳面の傾き
のずれとの双方を補償する重ね合わせ測定装置を構成す
ることもできる。

【００３９】また、上記各実施形態では、結像光学系
Ｌ、Ｌ’を重ね合わせ測定装置に適用した例を説明した
が、本発明の結像光学系は、被検物の像に基づいてその
被検物上の特定の被測定領域を測定する測定装置であれ
ば、如何なる測定装置にも適用可能である。また、上記
各実施形態では、開口絞り１２の移動又は姿勢変化を制
御部が自動的に行っているが、手動で行うようにしても
よい。但し、重ね合わせ測定装置では、制御部と演算部
との装備が一般的なので、上記実施形態のように自動化
することが好ましい。

【００４０】

【発明の効果】以上本発明によれば、結像光学系の結像
性能に起因して生じる測定誤差を簡単かつ確実に抑える
ことの可能な測定装置、及びその測定装置に適した対物
レンズが実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の原理を説明する図である。

【図２】第１実施形態の重ね合わせ測定装置の構成図で
ある。

【図３】第２実施形態の原理を説明する図である。

【図４】第２実施形態の重ね合わせ測定装置の構成図で
ある。

【符号の説明】

Ｌ，Ｌ’ 結像光学系Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３レンズＨ１，Ｈ２，Ｈ３レンズ室Ｍ重ね合わせマークＷウエハＦ視野１１，２１制御部１２開口絞り１３，２３ピエゾ素子１４撮像素子１５ウエハステージ１８，２８演算部２４ θステージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ 21/66 21/30 ５１６ＡＦターム(参考） 2F065 AA17 AA20 BB27 CC19 FF04 LL30 PP12 UU07 2H052 AB01 AD35 AF02 2H087 KA12 LA01 NA02 NA09 RA36 4M106 AA01 AA07 CA50 DB12 DH03 DH38 DJ04 5F046 AA18 CB05 DB05 FA17 FB06 FB19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体側がテレセントリックであると共
に、位置及び／又は姿勢の変更可能な開口絞りを有し、
被検物の像を形成する結像光学系と、前記結像光学系により形成される前記被検物の像に基づ
いてその被検物上の特定の被測定領域を測定する測定手
段と、前記結像光学系の視野内における前記被測定領域の位置
に応じて、前記開口絞りの位置及び／又は姿勢を設定す
る制御手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】請求項１に記載の測定装置の前記結像光
学系は、対物レンズであり、前記対物レンズ内部に、前記開口絞りと、前記開口絞りを光軸方向に移動させる第１駆動手段とを
備えたことを特徴とする対物レンズ。
【請求項３】請求項２に記載の対物レンズにおいて、前記開口絞りを開口中心を基準として揺動させる第２駆
動手段をさらに備えたことを特徴とする対物レンズ。
【請求項４】請求項１に記載の測定装置の前記結像光
学系は、対物レンズであり、前記対物レンズ内部に、前記開口絞りと、前記開口絞りを開口中心を基準として揺動させる第２駆
動手段とを備えたことを特徴とする対物レンズ。