JP2005127830A - Shape profile measuring device and manufacturing method of semiconductor device using it - Google Patents

Shape profile measuring device and manufacturing method of semiconductor device using it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape profile measuring device capable of realizing highly accurate measurement of a fine short-wavelength pattern by imparting a scatterometer device for solving the problem of grazing incidence in the case of using a reflection type objective lens and the problem of chromatic aberration in the case of using the reflection type objective lens. <P>SOLUTION: In this shape profile measuring device for performing shape profile measurement by collation between a measured spectral waveform and a simulation waveform, vertical incidence can be realized by using one concave mirror 21 and one convex mirror 22 as an image formation system and by using an optical system wherein the image side is on the same side as the object side to the concave mirror 21, namely, by using an Offner type lens as the reflection type objective lens, and since only a vertical reflection component can be detected, the collation between the simulation waveform and the measured waveform becomes possible, to thereby realize highly-accurate short-wavelength measurement. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置に関し、特に、短波長光源を用いたスキャテロメトリィ( scatterometry )装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a shape profile measuring apparatus using a short wavelength light source, and more particularly to a technique effective when applied to a scatterometry apparatus using a short wavelength light source and a semiconductor device manufacturing method using the scatterometry apparatus.

本発明者が検討したところによれば、半導体デバイスの製造では、半導体ウェハ上に導電膜または絶縁膜を成膜する成膜工程と、この膜上に感光剤であるレジストを塗布、レチクル上の回路パターンをレジストに露光、現像した後、残存するレジストをマスクとして膜をエッチングすることによって半導体ウェハ上に回路パターンを形成するリソグラフィ工程を各層で繰り返すことによって行われている。   According to a study by the present inventors, in the manufacture of a semiconductor device, a film forming process for forming a conductive film or an insulating film on a semiconductor wafer, a resist as a photosensitive agent is applied on the film, and a reticle is formed. After the circuit pattern is exposed and developed on the resist, the lithography process for forming the circuit pattern on the semiconductor wafer by etching the film using the remaining resist as a mask is repeated for each layer.

ここで、本発明の参考技術として、リソグラフィ工程の中で感光剤にパターンを焼き付ける露光工程を図6により説明する。レチクル6には回路パターン61が描かれており、これらは露光光6001により、露光レンズ7を介して半導体ウェハ3の感光剤上に転写される。転写された回路パターンが寸法規格どおりできているかをチェックするため、通常、SEM( Scanning Electron Microscope )で寸法検査が行われている。検査は、転写回路パターン351を直接計測する場合と、チップ領域350の外側に存在する転写テストパターン352を計測する場合がある。測定した寸法の大小により、一般的には露光装置の露光量で補正を行っている。この露光量補正の自動化に関しては、例えば非特許文献1に記載されている。   Here, as a reference technique of the present invention, an exposure process for printing a pattern on a photosensitive agent in a lithography process will be described with reference to FIG. A circuit pattern 61 is drawn on the reticle 6, and these are transferred onto the photosensitive agent of the semiconductor wafer 3 through the exposure lens 7 by the exposure light 6001. In order to check whether or not the transferred circuit pattern is in conformity with the dimensional standard, a dimensional inspection is usually performed by an SEM (Scanning Electron Microscope). In the inspection, there are a case where the transfer circuit pattern 351 is directly measured and a case where the transfer test pattern 352 existing outside the chip region 350 is measured. In general, correction is performed with the exposure amount of the exposure apparatus depending on the size of the measured dimension. This automation of exposure amount correction is described in Non-Patent Document 1, for example.

一方で、寸法の変動の原因としては、露光装置の露光量変動以外にフォーカスずれがあげられる。露光量だけでなく、フォーカスの補正も行う方法が、例えば特許文献1に開示されている。これは、予めSEMの波形変化を露光量、フォーカスずれと関連付けることにより、SEMの波形から直接、露光量およびフォーカスの補正量を求める方法である。   On the other hand, the cause of the dimensional variation is a focus shift other than the exposure amount variation of the exposure apparatus. For example, Patent Document 1 discloses a method of correcting not only the exposure amount but also the focus. This is a method of obtaining the exposure amount and the focus correction amount directly from the SEM waveform by associating the SEM waveform change with the exposure amount and the focus shift in advance.

また、最近、転写回路パターンの断面プロファイルを光学的に測定するスキャテロメトリィという方法が、例えば非特許文献2に開示されている。ここで、スキャテロメトリィ計測装置の構成を図7により説明する。図7は分光型のスキャテロメトリィ計測装置である。白色光源1110から出射した白色光1111を基板33上の繰り返しパターン31に照射、正反射光を回折格子400で分光し、センサ500で分光波形を検出する。   Recently, for example, Non-Patent Document 2 discloses a method called scatterometry that optically measures a cross-sectional profile of a transfer circuit pattern. Here, the configuration of the scatterometry measuring apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a spectroscopic scatterometry measuring apparatus. White light 1111 emitted from the white light source 1110 is irradiated onto the repetitive pattern 31 on the substrate 33, specularly reflected light is spectrally separated by the diffraction grating 400, and a spectral waveform is detected by the sensor 500.

次に、上記の計測装置で得られた分光波形の処理方法を図8により説明する。分光波形800は、シグネチャ( signature )と呼ばれ、図7の計測装置で得られた信号の場合、波長に対する光強度変化の信号となる。シグネチャは繰り返しパターン31の断面プロファイルによって変化する。そこで、前もって様々な断面プロファイルに対するシグネチャを波動光学シミュレーションによって求めておき、これらをライブラリとして蓄えておく。例えば、繰り返しパターン31のボトム線幅L、膜厚D、テーパ角αに応じて断面プロファイルを矩形でモデル化し、シグネチャのシミュレーションを行う。分光波形800とシグネチャのライブラリの比較を行い、一致したシグネチャを与える断面プロファイル、すなわち線幅L1、膜厚D1、テーパ角α1が計測値となる。   Next, a method for processing the spectral waveform obtained by the above measuring apparatus will be described with reference to FIG. The spectral waveform 800 is called a signature, and in the case of a signal obtained by the measurement apparatus of FIG. 7, it becomes a signal of a light intensity change with respect to the wavelength. The signature changes depending on the cross-sectional profile of the repeated pattern 31. Therefore, signatures for various cross-sectional profiles are obtained in advance by wave optical simulation, and these are stored as a library. For example, the cross-sectional profile is modeled as a rectangle according to the bottom line width L, the film thickness D, and the taper angle α of the repetitive pattern 31, and signature simulation is performed. The spectral waveform 800 is compared with the signature library, and the cross-sectional profile that gives the matched signature, that is, the line width L1, the film thickness D1, and the taper angle α1 are measured values.

この方法は、感光剤の反応により電子線照射中に線幅が変化する懸念のあるSEMと比べて、スキャテロメトリィは光による計測であるので、有利である。また、大気中で計測可能であり、SEMのように真空引きに時間を取られることもないので、高速測定が可能である。   This method is advantageous because scatterometry is a measurement by light, compared to SEM, which has a concern that the line width may change during electron beam irradiation due to the reaction of the photosensitive agent. In addition, it can be measured in the atmosphere, and since it does not take time for evacuation unlike SEM, high-speed measurement is possible.

また、スキャテロメトリィは、上述のように回路パターン断面プロファイルを測定する上でSEMと比べてメリットがあるが、大量の波形を予め算出する必要があるため、高速な光学シミュレーションが必要となる。このため、例えば非特許文献3に開示されているリゴラス カップルド ウェーブ アナリシス(RCWA:Rigorous Coupled Wave Analysis )と呼ばれる計算手法が採用されている。これは、パターン断面を複数の矩形層で近似し、それぞれの矩形層を無限に続く同一ピッチおよびデューティの回折格子とみなし、矩形層間の境界条件を合わせることにより波動方程式の級数解の係数を決定する方法である。波動方程式の別の解法である有限要素法等と比較すると、極めて高速に波形算出が行える。
特開2001−143982号公報 インプレメンテーション オブ ア クローズドループ シーディ アンド オーバレイ コントローラ フォー サブ 0.25μm パターニング( Implementation of a Closed-loop CD and Overlay Controller for sub 0.25μm Patterning ),SPIE Vol.3332,1998,pp461−470 スペキュラ スペクトロスコープ スキャテロメトリィ イン ディユーブイ リソグラフィ( Specular Spectroscopic Scatterometry in DUV Lithography ),SPIE Vol.3677,1999,pp159−168 ディフラクション アナリシス オブ ディエレクトリック サーフェイスレリーフ グレーティング( Diffraction Analysis of Dielectric Surface-relief Gratings ),J.Opt.Soc.Am.,Vol.72,No.10,1982
Scatterometry has an advantage over SEM in measuring a circuit pattern cross-sectional profile as described above. However, since it is necessary to calculate a large number of waveforms in advance, high-speed optical simulation is required. For this reason, for example, a calculation method called Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) disclosed in Non-Patent Document 3 is adopted. This approximates the cross section of the pattern with multiple rectangular layers, considers each rectangular layer as a diffraction grating with the same pitch and duty that continues indefinitely, and determines the coefficient of the series solution of the wave equation by matching the boundary conditions between the rectangular layers It is a method to do. Compared with the finite element method, which is another method of solving the wave equation, the waveform can be calculated at a very high speed.
JP 2001-143982 A Implementation of a Closed Loop CD and Overlay Controller for Sub 0.25 μm Patterning, SPIE Vol. 3332, 1998, pp461-470 Specular Spectroscopic Scatterometry in DUV Lithography, SPIE Vol. 3677, 1999, pp 159-168 Diffraction Analysis of Dielectric Surface-relief Gratings, J.A. Opt. Soc. Am. , Vol. 72, no. 10, 1982

ところで、半導体デバイスの製造では、半導体の回路パターンは、微細化の一途をたどり、現在では100nmをきる線幅の領域に達している。スキャテロメトリィで微細な線幅が精度良く計測できるかは、上述の分光波形の感度が微細な線幅変化に対して感度があるかにかかっている。   By the way, in the manufacture of semiconductor devices, the circuit pattern of a semiconductor has been miniaturized and has now reached a line width of less than 100 nm. Whether the fine line width can be accurately measured by scatterometry depends on whether the sensitivity of the above-mentioned spectral waveform is sensitive to a fine line width change.

ここで、図9に示す繰り返しパターンの線幅変化に対する分光波形の感度について考える。シリコン基板301の上に100nm厚の反射防止膜302を塗布し、この上に厚さ400nmのレジストの繰り返しパターン303が形成されている。このパターンに対して、上述のリゴラス カップルド ウェーブ アナリシスで計算した分光波形を図10に示す。線幅100nmから90nmへの変化に対しては、波長350nm以下の領域で両者に対応する波形の乖離が大きい。すなわち、350nm以下の短波長領域で線幅変化に対する感度が大きいことが分かる。   Here, the sensitivity of the spectral waveform with respect to the line width change of the repetitive pattern shown in FIG. 9 will be considered. An antireflection film 302 having a thickness of 100 nm is applied on a silicon substrate 301, and a repeated pattern 303 of a resist having a thickness of 400 nm is formed thereon. FIG. 10 shows the spectral waveform calculated by the above-mentioned Rigorous coupled wave analysis for this pattern. With respect to the change from the line width of 100 nm to 90 nm, the difference between the waveforms corresponding to both is large in the wavelength region of 350 nm or less. That is, it can be seen that the sensitivity to a change in line width is large in a short wavelength region of 350 nm or less.

現在の通常のスキャテロメトリィ装置では、光源としてキセノンランプが用いられているため、350nm以下の短波長領域では光強度が著しく低下する。これに対して、波長190から250nmの領域で強度を持つ重水素ランプが短波長光源として知られている。この重水素ランプを光源とした分光波形計測装置は、例えば、コンドウ(N.Kondo)他、フィルム シックネス メジャーメント オブ ウルトラシン フィルム ユージング ライト オブ ユーブイ ウエーブレンス( Film thickness measurement of ultrathin film using light of UV wavelength ),SPIE Vol.1673,pp395−396、に記載されている。   In the current normal scatterometry apparatus, a xenon lamp is used as a light source, so that the light intensity is significantly reduced in a short wavelength region of 350 nm or less. On the other hand, a deuterium lamp having an intensity in a wavelength range of 190 to 250 nm is known as a short wavelength light source. For example, N. Kondo et al., Film Thickness Measurement of Ultrathin Film, Using Light of Ubi Waveence (Film thickness measurement of ultrathin film using light of UV wavelength). ), SPIE Vol. 1673, pp 395-396.

ここで、この装置の構成を図11を用いて説明する。重水素ランプ100より射出された光は、楕円ミラー101と折り曲げミラー102を介して一旦、視野絞り103に集光された後、ハーフミラー104を介して反射型対物レンズ20によって半導体ウェハ3上に集光される。反射型対物レンズ20は笠状の凹面鏡201と凸面鏡202で構成され、シュワルツチルド( Schwartzchild )型と呼ばれている。   Here, the configuration of this apparatus will be described with reference to FIG. The light emitted from the deuterium lamp 100 is once condensed on the field stop 103 via the elliptical mirror 101 and the bending mirror 102 and then onto the semiconductor wafer 3 by the reflective objective lens 20 via the half mirror 104. Focused. The reflective objective lens 20 is composed of a concave concave mirror 201 and a convex mirror 202, and is called a Schwartzchild type.

半導体ウェハ3を出射した反射光は、反射型対物レンズ20により絞り105上で集光される。絞り105は、半導体ウェハ3上の膜内でデフォーカスした光を遮光する働きがある。絞り105を出射した光は、結像作用のあるホログラフィックグレーティング40により分光され、分光波形がCCDセンサなどの1次元撮像素子50によって計測される。反射型対物レンズ20を用いる理由は、重水素ランプ100の波長域ではガラス材料が合成石英、CaF2 に限られており、異なる材料の組み合わせで実現してきた色収差補正が不可能なためである。色収差補正ができないと、半導体ウェハ上の特定ポイントへの光の収差が困難となる。 The reflected light emitted from the semiconductor wafer 3 is condensed on the diaphragm 105 by the reflective objective lens 20. The diaphragm 105 has a function of shielding light defocused in the film on the semiconductor wafer 3. The light emitted from the stop 105 is dispersed by the holographic grating 40 having an imaging function, and the spectral waveform is measured by a one-dimensional imaging device 50 such as a CCD sensor. The reason why the reflective objective lens 20 is used is that, in the wavelength range of the deuterium lamp 100, the glass material is limited to synthetic quartz and CaF 2 , and chromatic aberration correction realized by a combination of different materials is impossible. If the chromatic aberration cannot be corrected, the aberration of light to a specific point on the semiconductor wafer becomes difficult.

このように、反射型対物レンズ20を用いる場合は、照明光は半導体ウェハ3に対して垂直ではなく、斜めに入射し、斜めに反射された成分を検出することになる。このことは、図11の装置をパターンの無い対象の膜厚測定に用いる場合には問題ないが、繰り返しパターンの形状を測定するスキャテロメトリィ装置として用いる場合は問題となる。   As described above, when the reflective objective lens 20 is used, the illumination light is not perpendicular to the semiconductor wafer 3 but is incident obliquely, and the component reflected obliquely is detected. This is not a problem when the apparatus of FIG. 11 is used for measuring the film thickness of an object without a pattern, but becomes a problem when it is used as a scatterometry apparatus for measuring the shape of a repetitive pattern.

このことを、図12と図13を用いて説明する。図12は、繰り返しパターン31の方向Xに対する照明光の入射方向の関係を示す。XZ平面内でのZに対する傾きをθ、Zを回転軸にX軸からY軸側への角度をφとする。反射型対物レンズ20がNA0.2相当の開口率を持つとして、傾きθはARCSIN(0.2)より、11.537度とし、φ0度、45度、90度での分光波形を図13に示す。対象とする繰り返しパターン31は図9のパターンと同じである。   This will be described with reference to FIGS. FIG. 12 shows the relationship of the incident direction of the illumination light with respect to the direction X of the repetitive pattern 31. The inclination with respect to Z in the XZ plane is θ, and the angle from the X axis to the Y axis side with Z as the rotation axis is φ. Assuming that the reflective objective lens 20 has an aperture ratio equivalent to NA 0.2, the inclination θ is 11.537 degrees from ARCSIN (0.2), and spectral waveforms at φ 0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees are shown in FIG. Show. The target repeating pattern 31 is the same as the pattern of FIG.

これにより、φの変化、すなわち反射型対物レンズ20で集光された光の、繰り返しパターンの方向に対する半導体ウェハ平面内での入射角変化により、分光波形が大きく変わる。従って、シミュレーション分光波形のデータベースであるライブラリとの対応が取れなくなる。一方、反射型対物レンズ20ではなく、通常の屈折型レンズを用いることができれば、垂直入射が実現でき、この問題はクリアできるが、色収差のため集光が出来なくなる問題が生じる。   As a result, the spectral waveform changes greatly due to the change in φ, that is, the change in the incident angle of the light collected by the reflective objective lens 20 in the plane of the semiconductor wafer with respect to the direction of the repetitive pattern. Therefore, it becomes impossible to correspond to the library which is a database of simulation spectral waveforms. On the other hand, if a normal refractive lens can be used instead of the reflective objective lens 20, normal incidence can be realized and this problem can be cleared, but there is a problem that light cannot be condensed due to chromatic aberration.

そこで、本発明の目的は、反射型対物レンズを用いる場合の斜入射の問題と、反射型対物レンズを用いる場合の色収差の問題を解決するスキャテロメトリィ装置を与えることで、短波長で微細パターンの高精度な測定を実現できる形状プロファイル測定装置を提供することにある。本発明の新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Therefore, an object of the present invention is to provide a scatterometry apparatus that solves the problem of oblique incidence when a reflective objective lens is used and the problem of chromatic aberration when a reflective objective lens is used. An object of the present invention is to provide a shape profile measuring apparatus that can realize highly accurate measurement. The novel features of the present invention will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be described as follows.

すなわち、本発明は、実測した分光波形とシミュレーション波形の照合により形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置において、結像系として1枚の凹面鏡と1枚の凸面鏡を用い、凹面鏡に対して物体側(半導体ウェハ側)と像側(撮像素子側)が同じ側となる光学系、すなわち反射型対物レンズとしてオフナー型を用いることを特徴とする。これにより、従来の膜厚測定装置で用いられていたシュワルツチルド型光学系を用いる場合に生じる、繰り返しパターンに対して入射方向を限定できないという問題は解消し、垂直照明、垂直検出ができ、簡単な構成で短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現でき、結果として微細パターンに対する高精度な測定が可能となる。   That is, the present invention uses a single concave mirror and a single convex mirror as an imaging system in a shape profile measurement apparatus that performs shape profile measurement by comparing an actually measured spectral waveform and a simulation waveform. An optical system in which the semiconductor wafer side) and the image side (imaging device side) are the same side, that is, an Offner type is used as a reflective objective lens. This eliminates the problem that the incident direction cannot be limited with respect to the repetitive pattern, which occurs when using the Schwarztilde optical system used in the conventional film thickness measurement device, and allows for vertical illumination and vertical detection, making it easy With this configuration, profile shape measurement using a short wavelength light source can be realized, and as a result, high-precision measurement can be performed on a fine pattern.

一方で、従来のシュワルツチルド型の構成を取りながら、凹面鏡の反射面を直径方向に対向する2箇所に限定する。すなわち、結像系として1枚の凸面鏡と2枚凹面鏡を用い、凹面鏡に対して物体側と像側が反対側となる光学系を構成することにより、入射方向を繰り返しパターンに対して限定でき、シミュレーション波形との照合が可能となるので、結果として短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現できる。   On the other hand, the reflecting surface of the concave mirror is limited to two locations facing each other in the diametrical direction while taking a conventional Schwarzchild type configuration. In other words, by using one convex mirror and two concave mirrors as the imaging system and constructing an optical system in which the object side and the image side are opposite to the concave mirror, the incident direction can be limited to repeated patterns, and simulation Since collation with the waveform is possible, as a result, profile shape measurement using a short wavelength light source can be realized.

また、ハード構成はシュワルツチルド型を一切変更することなく、シミュレーション側で複数の斜入射波形から実測波形を模した波形を合成する。すなわち、シュワルツチルド型光学系の測定対象繰り返しパターンへの入射方向毎の複数の分光波形のシミュレーション結果から求められた分光波形と実測した分光波形の照合を取ることにより、実波形との照合が可能となり、短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現できる。   In addition, the hardware configuration synthesizes a waveform simulating an actual measurement waveform from a plurality of oblique incident waveforms on the simulation side without changing the Schwarztilde type at all. In other words, by comparing the spectral waveform obtained from the simulation results of multiple spectral waveforms for each incident direction on the measurement target repetition pattern of the Schwarztilde optical system with the measured spectral waveform, it is possible to verify the actual waveform. Thus, profile shape measurement using a short wavelength light source can be realized.

さらに、屈折型レンズにより結像系を構成する場合も、色収差起因で発生する各波長毎のぼけ関数を予め求めておき、これを用いてシミュレーション波形を実波形を模した波形に変換する。すなわち、屈折型光学系と、この屈折型光学系で発生する波長毎の色収差起因ぼけ関数を記憶する手段と、この関数を用いてシミュレーション波形を変換した波形と実測した分光波形の照合を取る手段とを有することにより、実波形との照合が可能となり、短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現できる。   Further, even when an imaging system is configured by a refractive lens, a blur function for each wavelength generated due to chromatic aberration is obtained in advance, and a simulation waveform is converted into a waveform simulating an actual waveform using this function. That is, a refraction type optical system, means for storing a chromatic aberration-induced blur function for each wavelength generated in this refraction type optical system, and means for comparing a waveform obtained by converting a simulation waveform using this function with an actually measured spectral waveform Therefore, it is possible to collate with an actual waveform and to realize profile shape measurement using a short wavelength light source.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

(1)オフナー型の反射光学系を用いることにより、重水素ランプ等の短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置において、垂直成分の反射光を検出することが可能となるため、簡単な構成で短波長のスキャテロメトリィ装置が実現でき、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。   (1) By using an offner type reflection optical system, it becomes possible to detect reflected light of a vertical component in a scatterometry apparatus using a short wavelength light source such as a deuterium lamp. A short-wavelength scatterometry device can be realized, and high-precision shape measurement of a fine pattern becomes possible.

(2)シュワルツチルド型反射対物の凹面鏡の反射部を、測定対象の繰り返しパターンに対して一方向となるように構成することにより、スキャテロメトリィ装置において、一方向のシミュレーション結果との照合が実現でき、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。   (2) By constructing the reflecting part of the concave mirror of the Schwarzchild-type reflective objective so that it is in one direction with respect to the repetitive pattern to be measured, collation with the simulation results in one direction is realized in the scatterometry device It is possible to measure the shape of the fine pattern with high accuracy.

(3)シュワルツチルド型反射対物を用いた場合の斜入射光の平面内での角度を円周上に加算することにより、シミュレーション波形を実測波形に近づけることができ、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。   (3) By adding the angle of the obliquely incident light in the plane when using a Schwarztilde-type reflective objective on the circumference, the simulation waveform can be made closer to the actual measurement waveform, and high-precision shape measurement of fine patterns Is possible.

(4)屈折型対物レンズで生じる色収差起因のぼけを各波長毎に予め求めておくことにより、シミュレーション波形を色収差でぼけた状態の分光波形に変換することができ、実測波形とシミュレーション波形の照合が可能となるため、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。   (4) By calculating beforehand the blur caused by the chromatic aberration caused by the refractive objective lens for each wavelength, the simulation waveform can be converted into a spectral waveform blurred by the chromatic aberration, and the actual waveform and the simulation waveform are collated. Therefore, a highly accurate shape measurement of a fine pattern is possible.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

まず、図1により、本発明の第1の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図1は、第1の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。   First, an example of the configuration and operation of a shape profile measuring apparatus using a short wavelength light source according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a shape profile measuring apparatus using a short wavelength light source according to the first embodiment.

第1の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、オフナー型の反射光学系を用いたスキャテロメトリィ装置からなり、重水素ランプ10、楕円ミラー11、折り曲げミラー12、視野絞り13、ハーフミラー14、折り曲げミラー15、絞り16、凹面鏡21、凸面鏡22、ホログラフィックグレーティング41、1次元撮像素子51などからなる光学系と、処理系81、シミュレーション分光波形ライブラリ82、形状データ記憶手段83、計算エンジン84などからなる分光波形処理系とで構成される。   The shape profile measuring apparatus according to the first embodiment includes a scatterometry apparatus using an Offner reflection optical system, and includes a deuterium lamp 10, an elliptical mirror 11, a bending mirror 12, a field stop 13, a half mirror 14, An optical system composed of a bending mirror 15, an aperture 16, a concave mirror 21, a convex mirror 22, a holographic grating 41, a one-dimensional image sensor 51, a processing system 81, a simulation spectral waveform library 82, a shape data storage means 83, a calculation engine 84, and the like. And a spectral waveform processing system.

この形状プロファイル測定装置において、重水素ランプ10を出射した光は、楕円ミラー11により折り曲げミラー12を介して視野絞り13上に集光される。視野絞り13は、半導体ウェハ3上に照射される光の範囲を、半導体ウェハ3上の繰り返しパターンの領域に限定する作用を持つ。視野絞り13を出射した光は、ハーフミラー14により反射され、凹面鏡21、凸面鏡22、凹面鏡21により半導体ウェハ3上の繰り返しパターン上に結像される。凹面鏡21と凸面鏡22はオフナー型の反射光学系を構成し、凹面鏡21に対して半導体ウェハ3側と1次元撮像素子51側が同じ側となっている。   In this shape profile measuring apparatus, the light emitted from the deuterium lamp 10 is condensed on the field stop 13 by the elliptical mirror 11 via the bending mirror 12. The field stop 13 has an effect of limiting the range of light irradiated onto the semiconductor wafer 3 to a repetitive pattern region on the semiconductor wafer 3. The light emitted from the field stop 13 is reflected by the half mirror 14 and imaged on the repetitive pattern on the semiconductor wafer 3 by the concave mirror 21, the convex mirror 22, and the concave mirror 21. The concave mirror 21 and the convex mirror 22 constitute an Offner type reflection optical system, and the semiconductor wafer 3 side and the one-dimensional imaging device 51 side are the same side with respect to the concave mirror 21.

オフナー型の反射光学系は、例えば、ルドルフ キングスレイク( Rudolf Kingslake ),レンズ デザイン ファンダメンタルズ( Lens Design Fundamentals ),アカデミック プレス( Academic Press Inc. ),1978,pp321−322、に記載されている。オフナー型は、垂直入射および反射成分の検出が可能であるという点で、垂直成分が検出できない前述のシュワルツチルド型に比べてスキャテロメトリィ装置には有利である。また、構成上、高NA化が困難だが、スキャテロメトリィ応用の場合は垂直入反射成分が取れれば良いので、NA0.08程度の結像光学系で十分である。反射光学系であるので、屈折型のように色収差は発生せず、重水素ランプ10から発した波長190〜250nm程度の範囲の光をぼけることなく、半導体ウェハ3上の繰り返しパターンに結像させることができる。   Offner type reflection optical systems are described in, for example, Rudolf Kingslake, Lens Design Fundamentals, Academic Press Inc., 1978, pp 321-322. The Offner type is advantageous for the scatterometry apparatus compared to the aforementioned Schwarztilde type in which the vertical component cannot be detected in that the normal incidence and reflection components can be detected. In addition, it is difficult to achieve a high NA due to the configuration, but in the case of scatterometry applications, an imaging optical system with an NA of about 0.08 is sufficient because a vertical incident reflection component can be obtained. Since it is a reflection optical system, chromatic aberration does not occur unlike the refraction type, and an image is formed on a repetitive pattern on the semiconductor wafer 3 without blurring light in the wavelength range of about 190 to 250 nm emitted from the deuterium lamp 10. be able to.

そして、半導体ウェハ3上の繰り返しパターンで反射した光は、凹面鏡21、凸面鏡22、凹面鏡21により、ハーフミラー14および折り曲げミラー15を介して、絞り16上に結像される。絞り16は、繰り返しパターン表面以外からの反射光であるデフォーカス成分や迷光をカットする働きがある。絞り16を発した光は、結像作用のあるホログラフィックグレーティング41により1次元撮像素子51上に分光波形として結像される。その後の分光波形の処理は、従来のスキャテロメトリィ装置と同じ手順で処理される。   The light reflected by the repetitive pattern on the semiconductor wafer 3 is imaged on the diaphragm 16 by the concave mirror 21, the convex mirror 22, and the concave mirror 21 through the half mirror 14 and the bending mirror 15. The diaphragm 16 has a function of cutting defocus components and stray light, which are reflected light from surfaces other than the repeated pattern surface. The light emitted from the diaphragm 16 is imaged as a spectral waveform on the one-dimensional image sensor 51 by the holographic grating 41 having an imaging function. Subsequent spectral waveform processing is performed in the same procedure as a conventional scatterometry apparatus.

すなわち、分光波形の処理系81は、シミュレーション分光波形ライブラリ82中の分光波形と1次元撮像素子51により検出された分光波形を照合し、一致した波形を見つけ、シミュレーションの断面プロファイルデータ(線幅、膜厚、テーパ角等)を検出した分光波形に対応した形状データとして、形状データ記憶手段83に記憶する。各形状プロファイルに対応した分光波形は、前述のリゴラス カップルド ウェーブ アナリシス(RCWA)を用い、計算エンジン84によって予め計算され、シミュレーション分光波形ライブラリ82に記憶される。なお、シミュレーション分光波形ライブラリ82を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。   That is, the spectral waveform processing system 81 collates the spectral waveform in the simulated spectral waveform library 82 with the spectral waveform detected by the one-dimensional imaging device 51, finds a matching waveform, and obtains cross-sectional profile data (line width, (Shape film thickness, taper angle, etc.) are stored in the shape data storage means 83 as shape data corresponding to the detected spectral waveform. The spectral waveform corresponding to each shape profile is calculated in advance by the calculation engine 84 and stored in the simulation spectral waveform library 82 using the above-mentioned Rigorous coupled wave analysis (RCWA). Note that the simulation spectral waveform library 82 may not be provided, and the simulation may be sequentially performed according to the measured spectral waveform.

以上により、第1の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、オフナー型の反射光学系を用いることにより、重水素ランプ10などの短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置において、垂直成分の反射光を検出することができる。この結果、簡単な構成で短波長のスキャテロメトリィ装置が実現でき、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。   As described above, according to the shape profile measuring apparatus of the first embodiment, by using an Offner type reflection optical system, in the scatterometry apparatus using a short wavelength light source such as the deuterium lamp 10, the vertical component of Reflected light can be detected. As a result, a short wavelength scatterometry apparatus can be realized with a simple configuration, and the shape measurement of a fine pattern can be performed with high accuracy.

次に、図2により、第2の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図2は、第2の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。   Next, an example of the configuration and operation of the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram showing a shape profile measuring apparatus using a short wavelength light source according to the second embodiment.

前述(発明が解決しようとする課題)において、スキャテロメトリィ装置にシュワルツチルド型の反射対物レンズを用いる場合の不都合を述べたが、斜め入射成分を繰り返しパターンの繰り返し方向に対して一方向に絞ることが解決策となる。そこで、本発明の第2の実施の形態2では、シュワルツチルド型反射光学系の入射方向を一方向に限定している。   In the above (problem to be solved by the invention), the disadvantages of using a Schwarztilde-type reflective objective lens in the scatterometry apparatus have been described, but the oblique incident component is narrowed down in one direction with respect to the repeating direction of the repeating pattern. Is the solution. Therefore, in the second embodiment of the present invention, the incident direction of the Schwarztilde-type reflective optical system is limited to one direction.

すなわち、第2の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、シュワルツチルド型反射光学系の入射方向を一方向に限定したスキャテロメトリィ装置からなり、光源1、ハーフミラー140、凸面鏡23、凹面鏡24,25、絞り160、ホログラフィックグレーティング42、1次元撮像素子52などからなる光学系と、制御処理系810、シミュレーション分光波形ライブラリ820、形状データ記憶手段830、計算エンジン840などからなる分光波形処理系とで構成される。   That is, the shape profile measuring apparatus according to the second embodiment is composed of a scatterometry apparatus in which the incident direction of the Schwarztilt-type reflective optical system is limited to one direction. The light source 1, the half mirror 140, the convex mirror 23, the concave mirror 24, 25, a diaphragm 160, a holographic grating 42, a one-dimensional imaging device 52, and an optical system, and a spectral processing system including a control processing system 810, a simulation spectral waveform library 820, a shape data storage means 830, a calculation engine 840, and the like. Consists of.

この形状プロファイル測定装置において、光源1を射出した光は、ハーフミラー140で反射され、凸面鏡23に入射し、凹面鏡24,25によって反射され、半導体ウェハ3上の繰り返しパターン31上に集光される。光源1は、前記図1に示す重水素ランプ10、楕円ミラー11および視野絞り13で構成される。また、凹面鏡24,25および凸面鏡23はシュワルツチルド型の反射結像光学系を構成し、凹面鏡24,25に対して半導体ウェハ3側と1次元撮像素子52側が反対側となっており、光源1内の視野絞り13の像を半導体ウェハ3上に結像する。この例では、入射方向を限定するため、凹面鏡24,25に分割しているが、二点鎖線で示す一体化された凹面の一部(凹面鏡24,25に相当する部分)だけにアルミニウム等の反射コーティングを施しても良い。   In this shape profile measuring apparatus, the light emitted from the light source 1 is reflected by the half mirror 140, enters the convex mirror 23, is reflected by the concave mirrors 24 and 25, and is condensed on the repeated pattern 31 on the semiconductor wafer 3. . The light source 1 includes the deuterium lamp 10, the elliptical mirror 11, and the field stop 13 shown in FIG. The concave mirrors 24 and 25 and the convex mirror 23 constitute a Schwarztilde-type reflective imaging optical system, and the semiconductor wafer 3 side and the one-dimensional imaging device 52 side are opposite to the concave mirrors 24 and 25. An image of the field stop 13 is formed on the semiconductor wafer 3. In this example, in order to limit the incident direction, it is divided into concave mirrors 24 and 25. However, only a part of the integrated concave surface indicated by a two-dot chain line (a portion corresponding to the concave mirrors 24 and 25) is made of aluminum or the like. A reflective coating may be applied.

そして、半導体ウェハ3で反射した光は、凹面鏡24,25および凸面鏡23によってハーフミラー140を介し、絞り160に集光される。絞り160は、繰り返しパターン31の表面以外からの、デフォーカス光や迷光をカットする働きがある。絞り160を発した光は、結像作用のあるホログラフィックグレーティング42により1次元撮像素子52上に分光波形として結像される。分光波形の処理は、前記第1の実施の形態のスキャテロメトリィ装置と同じ手順で処理される。   Then, the light reflected by the semiconductor wafer 3 is collected by the concave mirrors 24 and 25 and the convex mirror 23 through the half mirror 140 onto the diaphragm 160. The diaphragm 160 has a function of cutting defocused light and stray light from other than the surface of the repeated pattern 31. The light emitted from the diaphragm 160 is imaged as a spectral waveform on the one-dimensional image sensor 52 by the holographic grating 42 having an imaging function. The spectral waveform is processed in the same procedure as the scatterometry apparatus of the first embodiment.

すなわち、分光波形の制御処理系810は、シミュレーション分光波形ライブラリ820中の分光波形と1次元撮像素子52により検出された分光波形を照合し、一致した波形を見つけ、シミュレーションの断面プロファイルデータ(線幅、膜厚、テーパ角等)を検出した分光波形に対応した形状データとして、形状データ記憶手段830に記憶する。各形状プロファイルに対応した分光波形は、上述のRCWAを用い、計算エンジン840によって予め計算され、シミュレーション分光波形ライブラリ820に記憶される。   That is, the spectral waveform control processing system 810 collates the spectral waveform in the simulation spectral waveform library 820 with the spectral waveform detected by the one-dimensional image sensor 52, finds a matching waveform, and obtains cross-sectional profile data (line width) of the simulation. , Film thickness, taper angle, etc.) is stored in the shape data storage means 830 as shape data corresponding to the detected spectral waveform. The spectral waveform corresponding to each shape profile is calculated in advance by the calculation engine 840 using the above-described RCWA and stored in the simulation spectral waveform library 820.

なお、シミュレーション分光波形ライブラリ820を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。また、繰り返しパターン31への半導体ウェハ面内での入射角は、ウェハ回転ステージ300を制御処理系810が回転させることによって変更できる。このため、対象とする形状プロファイルに敏感で感度の良い入射角を設定することにより、精度の高いプロファイル測定を行うことができる。   The simulation spectral waveform library 820 may not be provided, and the simulation may be sequentially performed according to the measured spectral waveform. Further, the incident angle on the repetitive pattern 31 within the semiconductor wafer surface can be changed by rotating the wafer rotation stage 300 by the control processing system 810. For this reason, it is possible to perform highly accurate profile measurement by setting an incident angle that is sensitive and sensitive to the target shape profile.

以上により、第2の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、シュワルツチルド型反射対物の凹面鏡24,25の反射部を、測定対象の繰り返しパターンに対して一方向となるように構成することにより、スキャテロメトリィ装置において、一方向のシミュレーション結果との照合が実現できる。この結果、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。   As described above, according to the shape profile measuring apparatus of the second embodiment, the reflecting parts of the concave mirrors 24 and 25 of the Schwarztilde-type reflecting objective are configured to be in one direction with respect to the repeated pattern to be measured. Thus, in the scatterometry apparatus, it is possible to collate with the simulation result in one direction. As a result, the shape measurement of the fine pattern can be performed with high accuracy.

次に、図3により、第3の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図3は、第3の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。   Next, an example of the configuration and operation of the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram showing a shape profile measuring apparatus using a short wavelength light source according to the third embodiment.

第3の実施の形態においては、測定装置自体の構成は、前述した図11により説明した従来例のシュワルツチルド型の膜厚測定装置と全く同じものを用いている。   In the third embodiment, the configuration of the measuring apparatus itself is exactly the same as that of the conventional Schwarztilt-type film thickness measuring apparatus described with reference to FIG.

すなわち、第3の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、シュワルツチルド型反射光学系の分光波形にシミュレーション結果を合わせるスキャテロメトリィ装置からなり、重水素ランプ100、楕円ミラー101、折り曲げミラー102、視野絞り103、ハーフミラー104、反射型対物レンズ20(凹面鏡201、凸面鏡202)、絞り105、ホログラフィックグレーティング40、1次元撮像素子50などからなる光学系と、処理系811、シミュレーション分光波形ライブラリ821、形状データ記憶手段831、計算エンジン841などからなる分光波形処理系とで構成される。   That is, the shape profile measuring apparatus according to the third embodiment includes a scatterometry apparatus that matches a simulation result with a spectral waveform of a Schwarztilde-type reflective optical system, and includes a deuterium lamp 100, an elliptical mirror 101, a bending mirror 102, a field of view. An optical system including an aperture 103, a half mirror 104, a reflective objective lens 20 (concave mirror 201, convex mirror 202), an aperture 105, a holographic grating 40, a one-dimensional image sensor 50, a processing system 811, a simulation spectral waveform library 821, A spectral waveform processing system including a shape data storage unit 831, a calculation engine 841, and the like.

この形状プロファイル測定装置において、反射型対物レンズ20では、繰り返しパターンに対し、半導体ウェハ3の法線を回転軸にした面内360度の方向から光が入射し、反射される。従って、1次元撮像素子50で検出される分光波形は、面内360度方向の全ての分光波形が加算されたものとなる。実際には、繰り返しパターンと装置の対称性より、分光波形は0度から90度で変化する。0度から90度の範囲で、どの程度の角度ピッチで分光波形を計算し、加算すれば良いかは、予め角度ピッチを振って計算してみることにより、対象パターンに応じて最適なピッチが得られる。   In this shape profile measuring apparatus, in the reflective objective lens 20, light is incident on and reflected from the direction of 360 degrees in the plane with the normal line of the semiconductor wafer 3 as the rotation axis with respect to the repetitive pattern. Therefore, the spectral waveform detected by the one-dimensional image sensor 50 is obtained by adding all the spectral waveforms in the in-plane 360 degree direction. Actually, the spectral waveform changes from 0 degrees to 90 degrees due to the repetitive pattern and the symmetry of the apparatus. In order to calculate the spectral waveform at what angle pitch in the range of 0 to 90 degrees and add it, the optimal pitch can be determined according to the target pattern by calculating the angle pitch in advance. can get.

計算エンジン841は、入射角の最適なピッチで複数の分光波形を計算しておき、シミュレーション分光波形ライブラリ821では、それらの平均波形をデータベース化しておく。処理系811は、検出した分光波形とシミュレーション分光波形ライブラリ821中の分光波形を比較し、対応する形状プロファイルデータを形状データ記憶手段831に記憶する。なお、シミュレーション分光波形ライブラリ821を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。   The calculation engine 841 calculates a plurality of spectral waveforms at an optimum angle of incidence angle, and the simulation spectral waveform library 821 stores these average waveforms in a database. The processing system 811 compares the detected spectral waveform with the spectral waveform in the simulation spectral waveform library 821, and stores the corresponding shape profile data in the shape data storage unit 831. The simulation spectral waveform library 821 may not be provided, and the simulation may be sequentially performed according to the measured spectral waveform.

以上により、第3の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、シュワルツチルド型反射対物を用いた場合の斜入射光の平面内での角度を円周上に加算することにより、シミュレーション波形を実測波形に近づけることができる。この結果、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。   As described above, according to the shape profile measuring apparatus of the third embodiment, the simulation waveform is obtained by adding the angle in the plane of the oblique incident light in the case of using the Schwarzchild-type reflective objective on the circumference. It can be close to the measured waveform. As a result, the shape measurement of the fine pattern can be performed with high accuracy.

次に、図4により、第4の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図4は、第4の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。   Next, an example of the configuration and operation of the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram showing a shape profile measuring apparatus using a short wavelength light source according to the fourth embodiment.

第4の実施の形態では、屈折型対物レンズで発生する色収差起因のぼけ関数を波長毎に求めておき、理想状態で計算したシミュレーション波形を色収差のある状態の波形に変換することにより実測波形のライブラリを作成し、照合を取ることにより、精度の高い形状プロファイルが得られるようにするものである。   In the fourth embodiment, a blur function due to chromatic aberration generated in a refractive objective lens is obtained for each wavelength, and a simulation waveform calculated in an ideal state is converted into a waveform having a chromatic aberration to convert the measured waveform into a waveform. A library is created and collation is performed so that a highly accurate shape profile can be obtained.

すなわち、第4の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、屈折型結像系の色収差を考慮したシミュレーションによりライブラリを作成するスキャテロメトリィ装置からなり、重水素ランプ1000、楕円ミラー1001、折り曲げミラー1002、視野絞り1003、ハーフミラー1004、コンデンサレンズ2001、屈折型対物レンズ2002、結像レンズ2003、ホログラフィックグレーティング43、1次元撮像素子53などからなる光学系と、処理系812、シミュレーション分光波形ライブラリ8420、形状データ記憶手段832、計算エンジン842、色収差関数データベース852などからなる分光波形処理系とで構成される。   That is, the shape profile measuring apparatus according to the fourth embodiment includes a scatterometry apparatus that creates a library by simulation in consideration of chromatic aberration of a refractive imaging system, and includes a deuterium lamp 1000, an elliptical mirror 1001, and a bending mirror 1002. , Field stop 1003, half mirror 1004, condenser lens 2001, refractive objective lens 2002, imaging lens 2003, holographic grating 43, one-dimensional image sensor 53, processing system 812, simulation spectral waveform library 8420. And a spectral waveform processing system comprising a shape data storage means 832, a calculation engine 842, a chromatic aberration function database 852, and the like.

この形状プロファイル測定装置において、重水素ランプ1000を発した光は、楕円ミラー1001によって視野絞り1003上に集光される。視野絞り1003を射出した光はハーフミラー1004を介して、コンデンサレンズ2001および屈折型対物レンズ2002により半導体ウェハ3上の繰り返しパターン上に照明される。半導体ウェハ3からの反射光は、ハーフミラー1004を介して屈折型対物レンズ2002および結像レンズ2003によって一旦、結像される。屈折型対物レンズ2002および結像レンズ2003の色収差により、波長によって結像位置が異なる。   In this shape profile measuring apparatus, the light emitted from the deuterium lamp 1000 is condensed on the field stop 1003 by the elliptical mirror 1001. The light emitted from the field stop 1003 is illuminated on the repetitive pattern on the semiconductor wafer 3 by the condenser lens 2001 and the refractive objective lens 2002 via the half mirror 1004. The reflected light from the semiconductor wafer 3 is once imaged by the refractive objective lens 2002 and the imaging lens 2003 via the half mirror 1004. Due to the chromatic aberration of the refractive objective lens 2002 and the imaging lens 2003, the imaging position varies depending on the wavelength.

例えば、波長λ1の場合は点Aに結像され、ホログラフィックグレーティング43によって1次元撮像素子53上に結像されるが、波長λ2の場合は点Bに結像され、1次元撮像素子53上ではデフォーカスした状態で撮像される。色収差関数データベース852には、例えば、波長λ1,λ2,λ3の色収差起因のぼけ関数F1(λ),F2(λ),F3(λ)が記憶されている。色収差起因のぼけ関数は各波長を中心波長とした強度分布であり、設計データの光線追跡や、屈折型対物レンズ2002および結像レンズ2003と波長フィルタを用いた実験により求めることができる。   For example, in the case of the wavelength λ 1, an image is formed on the point A and is imaged on the one-dimensional image sensor 53 by the holographic grating 43, but in the case of the wavelength λ 2, the image is formed on the point B and is formed on the one-dimensional image sensor 53. Then, the image is taken in a defocused state. The chromatic aberration function database 852 stores, for example, blur functions F1 (λ), F2 (λ), and F3 (λ) due to chromatic aberration of wavelengths λ1, λ2, and λ3. The blur function due to chromatic aberration is an intensity distribution with each wavelength as the center wavelength, and can be obtained by ray tracing of design data, or by experiments using the refractive objective lens 2002 and the imaging lens 2003 and a wavelength filter.

色収差起因のぼけ関数は、例えば1nmおきにデータベース化される。計算エンジン842は、RCWAで計算された理想状態の分光波形を、色収差関数データベース852の色収差起因のぼけ関数を用いて式(1)により実波形に変換し、ライブラリ化する。   The blur function caused by chromatic aberration is made into a database every 1 nm, for example. The calculation engine 842 converts the spectral waveform in the ideal state calculated by the RCWA into a real waveform using Expression (1) using a blur function caused by chromatic aberration in the chromatic aberration function database 852, and creates a library.

I’(λ)={F1(λ)+F2(λ)+F3(λ)+…}
・E(λ)・I(λ) (式1)
この式(1)において、λは波長、I(λ)はRCWAで計算された理想状態の分光波形、E(λ)は半導体ウェハ3上での照明光の分光分布であり、E(λ)は実験により求められる。処理系812は、実波形に変換されたデータベースのシミュレーション分光波形ライブラリ8420と検出された分光波形を照合し、対象パターンの形状プロファイルデータを形状データ記憶手段832に記憶する。なお、シミュレーション分光波形ライブラリ8420を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。
I ′ (λ) = {F1 (λ) + F2 (λ) + F3 (λ) +.
・ E (λ) ・ I (λ) (Formula 1)
In this equation (1), λ is a wavelength, I (λ) is a spectral waveform in an ideal state calculated by RCWA, E (λ) is a spectral distribution of illumination light on the semiconductor wafer 3, and E (λ) Is obtained by experiment. The processing system 812 compares the detected spectral waveform with the simulation spectral waveform library 8420 of the database converted into the actual waveform, and stores the shape profile data of the target pattern in the shape data storage unit 832. Note that the simulation spectral waveform library 8420 may not be provided, and the simulation may be sequentially performed according to the measured spectral waveform.

以上により、第4の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、屈折型対物レンズ2002で生じる色収差起因のぼけを各波長毎に予め求めておくことにより、シミュレーション波形を色収差でぼけた状態の分光波形に変換することができる。この結果、実測波形とシミュレーション波形の照合が可能となるため、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。   As described above, according to the shape profile measuring apparatus of the fourth embodiment, the chromatic aberration caused by the refractive objective lens 2002 is obtained in advance for each wavelength so that the simulation waveform is blurred by chromatic aberration. It can be converted into a spectral waveform. As a result, since the actually measured waveform and the simulation waveform can be collated, the shape measurement of the fine pattern can be performed with high accuracy.

次に、図5により、前述した第1〜第4の実施の形態である形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法の一例を説明する。図5は、形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法を示すフロー図である。   Next, an example of a semiconductor device manufacturing method using the shape profile measuring apparatus according to the first to fourth embodiments described above will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device using the shape profile measuring apparatus.

半導体デバイスの製造においては、例えば、半導体単結晶のインゴットのスライス、研磨などの工程にて半導体ウェハを準備するとともに(ステップS1)、予め、製品回路パターンとテストパターンの露光量およびフォーカスの最適値との差ΔA、ΔBの測定(ステップS20)、およびテストパターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形を露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連付けてライブラリに記憶する処理(ステップS30)、を行っておく。   In the manufacture of semiconductor devices, for example, a semiconductor wafer is prepared in a process such as slicing or polishing a semiconductor single crystal ingot (step S1), and the exposure values and focus optimum values of the product circuit pattern and the test pattern are previously prepared. The difference ΔA and ΔB from the measurement (step S20), and the cross-sectional shape of the test pattern or a signal waveform related to the cross-sectional shape is stored in the library in association with the exposure amount and the deviation from the optimum focus value (step S30). , Keep going.

この半導体ウェハに薄膜などを形成した後(ステップS2)、平坦化処理を行い(ステップS3)、その後、レジスト塗布(ステップS4)、露光装置による露光処理(ステップS5)、現像処理(ステップS6)を行う。   After a thin film or the like is formed on the semiconductor wafer (step S2), a planarization process is performed (step S3), and then a resist coating (step S4), an exposure process (step S5) by an exposure apparatus, and a development process (step S6). I do.

ここで、本実施の形態では、現像された半導体ウェハ上のテストパターンの信号波形を、スキャテロメトリィによる形状プロファイル測定装置にて測定し(ステップS7)、測定結果とステップS30で構築されているライブラリの信号波形とを照合して、テストパターンに関する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差ΔAt、ΔBtを得る(ステップS8)。   Here, in the present embodiment, the signal waveform of the test pattern on the developed semiconductor wafer is measured by a shape profile measuring device using scatterometry (step S7), and the measurement result and step S30 are constructed. The library signal waveforms are collated to obtain deviations ΔAt and ΔBt from the optimum exposure value and focus value for the test pattern (step S8).

さらに、ステップS8で得られたテストパターンの偏差ΔAt、ΔBtを、ステップS20で既知のΔA、ΔBを用いて補正し、製品パターンに関する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差ΔAp、ΔBpを得て、この偏差を露光工程補正情報としてステップS5の露光工程にフィードバックし、以降の露光工程に反映させる(ステップS9)。   Further, the deviations ΔAt and ΔBt of the test pattern obtained in step S8 are corrected using the known ΔA and ΔB in step S20 to obtain deviations ΔAp and ΔBp from the optimum exposure value and focus value for the product pattern. The deviation is fed back to the exposure process in step S5 as exposure process correction information and reflected in the subsequent exposure process (step S9).

その後、レジストをマスクとするエッチングによる製品パターン形成およびレジスト除去を行い(ステップS10)、ウェハプロセスが完了か否かを判定し(ステップS11)、未完了の場合にはステップS2以降を反復する。   Thereafter, product pattern formation and resist removal are performed by etching using a resist as a mask (step S10), and it is determined whether or not the wafer process is completed (step S11). If it is not completed, step S2 and subsequent steps are repeated.

ウェハプロセスが完了の場合には、ウェハプローブなどのウェハレベルでの各半導体チップの機能試験による良品選別を行い(ステップS12)、その後、半導体ウェハのダイシングにて半導体チップを個別に分離し(ステップS13)、良品の半導体チップのみに対して封止などのパッケージングを行い(ステップS14)、さらにバーンインテストなどの出荷前検査を行い(ステップS15)、良品の半導体デバイスのみを出荷する(ステップS16)。   When the wafer process is completed, non-defective products are selected by a function test of each semiconductor chip such as a wafer probe (step S12), and then the semiconductor chips are individually separated by dicing the semiconductor wafer (step S12). In step S13, packaging such as sealing is performed on only good semiconductor chips (step S14), and pre-shipment inspection such as burn-in test is performed (step S15), and only good semiconductor devices are shipped (step S16). ).

以上のように、本実施の形態の場合には、ステップS2〜S10のリソグラフィにおけるステップS5の露光工程での露光条件の最適値からの変動を、スキャテロメトリィによるテストパターンの実測、さらには製品パターンへの補正にて、露光量およびフォーカス毎に個別に検出して、以降の露光処理にフィードバックされるので、露光量およびフォーカスなどの露光条件が、常に最適値に近い範囲で維持されることになり、半導体デバイスの歩留まり向上を実現できる。   As described above, in the case of the present embodiment, the variation from the optimum value of the exposure condition in the exposure process of step S5 in the lithography of steps S2 to S10 is measured by measuring the test pattern by scatterometry, and further by the product. In the correction to the pattern, each exposure amount and focus are individually detected and fed back to the subsequent exposure processing, so that exposure conditions such as the exposure amount and focus are always maintained within a range close to the optimum value. Thus, the yield of semiconductor devices can be improved.

なお、本実施の形態の形状プロファイル測定装置による計測結果は、露光工程に限らず、成膜工程、平坦化工程、レジスト塗布工程、現像工程、エッチング工程などの各工程などにも適用でき、これらの各工程における処理条件にフィードバックすることで、より一層、半導体デバイスの歩留まり向上が可能となる。   The measurement results obtained by the shape profile measuring apparatus of this embodiment can be applied not only to the exposure process but also to each process such as a film forming process, a planarization process, a resist coating process, a developing process, and an etching process. The yield of the semiconductor device can be further improved by feeding back to the processing conditions in each step.

本発明の第1の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the shape profile measuring apparatus using the short wavelength light source which is the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第1〜第4の実施の形態である形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the semiconductor device using the shape profile measuring apparatus which is the 1st-4th embodiment of this invention. 本発明の参考技術として、露光工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an exposure process as reference technology of this invention. 本発明の参考技術として、スキャテロメトリィ装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a scatterometry apparatus as reference technology of this invention. 本発明の参考技術として、スキャテロメトリィの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of a scatterometry as a reference technique of this invention. 本発明の参考技術として、シミュレーションの対象とする繰り返しパターンを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the repeating pattern made into the object of simulation as a reference technique of this invention. 本発明の参考技術として、線幅100nmおよび90nmの分光波形のシミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the spectral waveform of line width 100nm and 90nm as a reference technique of this invention. 本発明の参考技術として、シュワルツチルド型反射対物レンズを用いた従来の膜厚測定装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional film thickness measuring apparatus using the Schwarzchild type | mold reflective objective lens as a reference technique of this invention. 本発明の参考技術として、繰り返しパターンの方向と照明光入射方向の関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the direction of a repeating pattern, and illumination light incident direction as the reference technique of this invention. 本発明の参考技術として、照明光入射方向の違いによる分光波形の違いを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the difference in the spectral waveform by the difference in illumination light incident direction as the reference technique of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…光源、10,100,1000…重水素ランプ、11,101,1001…楕円ミラー、12,102,1002…折り曲げミラー、13,103,1003…視野絞り、14,104,140,1004…ハーフミラー、15…折り曲げミラー、16,105,160…絞り、20…反射型対物レンズ、21…凹面鏡、22…凸面鏡、23…凸面鏡、24,25…凹面鏡、201…凹面鏡、202…凸面鏡、2001…コンデンサレンズ、2002…屈折型対物レンズ、2003…結像レンズ、3…半導体ウェハ、300…ウェハ回転ステージ、31…繰り返しパターン、40,41,42,43…ホログラフィックグレーティング、50,51,52,53…1次元撮像素子、6…レチクル、61…回路パターン、7…露光レンズ、81,811,812…処理系、810…制御処理系、82,820,821,8420…分光波形ライブラリ、83,830,831,832…形状データ記憶手段、84,840,841,842…計算エンジン、852…色収差関数データベース。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source 10, 100, 1000 ... Deuterium lamp, 11, 101, 1001 ... Ellipse mirror, 12, 102, 1002 ... Bending mirror, 13, 103, 1003 ... Field stop, 14, 104, 140, 1004 ... Half Mirror, 15 ... Bending mirror, 16, 105, 160 ... Aperture, 20 ... Reflective objective lens, 21 ... Concave mirror, 22 ... Convex mirror, 23 ... Convex mirror, 24,25 ... Concave mirror, 201 ... Concave mirror, 202 ... Convex mirror, 2001 ... Condenser lens, 2002 ... Refractive objective lens, 2003 ... Imaging lens, 3 ... Semiconductor wafer, 300 ... Wafer rotation stage, 31 ... Repeat pattern, 40, 41, 42, 43 ... Holographic grating, 50, 51, 52, 53 ... One-dimensional imaging device, 6 ... Reticle, 61 ... Circuit pattern, 7 ... Exposure lens, DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,811,812 ... Processing system, 810 ... Control processing system, 82,820,821,8420 ... Spectral waveform library, 83,830,831,832 ... Shape data storage means, 84,840, 841,842 ... Calculation engine , 852... Chromatic aberration function database.

Claims (12)

実測した分光波形とシミュレーション波形との照合により形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置であって、
結像系として、1枚の凹面鏡と1枚の凸面鏡とを用い、前記凹面鏡に対して物体側と像側とが同じ側となるように構成した光学系を有することを特徴とする形状プロファイル測定装置。
A shape profile measuring device that performs shape profile measurement by comparing an actually measured spectral waveform with a simulation waveform,
A shape profile measurement characterized by having an optical system configured such that one concave mirror and one convex mirror are used as the imaging system, and the object side and the image side are the same side with respect to the concave mirror. apparatus.
請求項1記載の形状プロファイル測定装置において、
前記光学系は、オフナー型であることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
The shape profile measuring apparatus according to claim 1,
The optical profile is an Offner type, and a shape profile measuring apparatus.
請求項1記載の形状プロファイル測定装置において、
前記光学系は、短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置からなることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
The shape profile measuring apparatus according to claim 1,
The optical system comprises a scatterometry apparatus using a short wavelength light source.
実測した分光波形とシミュレーション波形との照合により形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置であって、
結像系として、1枚の凸面鏡と2枚の凹面鏡とを用い、前記凹面鏡に対して物体側と像側とが反対側となるように構成した光学系を有することを特徴とする形状プロファイル測定装置。
A shape profile measuring device that performs shape profile measurement by comparing an actually measured spectral waveform with a simulation waveform,
A shape profile measurement characterized by having an optical system configured such that one convex mirror and two concave mirrors are used as the imaging system, and the object side and the image side are opposite to the concave mirror. apparatus.
請求項4記載の形状プロファイル測定装置において、
前記2枚の凹面鏡は、シュワルツチルド型光学系の凹面鏡の直径方向に対向する2箇所のみを反射面としたことを特徴とする形状プロファイル測定装置。
In the shape profile measuring apparatus according to claim 4,
2. The shape profile measuring apparatus according to claim 2, wherein the two concave mirrors have reflecting surfaces only at two locations facing each other in the diameter direction of the concave mirror of the Schwarztilde optical system.
請求項4記載の形状プロファイル測定装置において、
前記光学系は、短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置からなることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
In the shape profile measuring apparatus according to claim 4,
The optical system comprises a scatterometry apparatus using a short wavelength light source.
実測した分光波形とシミュレーション波形との照合により形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置であって、
前記シミュレーション波形を、シュワルツチルド型光学系の測定対象繰り返しパターンへの入射方向毎の複数の分光波形のシミュレーション結果から求める手段を有することを特徴とする形状プロファイル測定装置。
A shape profile measuring device that performs shape profile measurement by comparing an actually measured spectral waveform with a simulation waveform,
A shape profile measuring apparatus, comprising: means for obtaining the simulation waveform from simulation results of a plurality of spectral waveforms for each incident direction on the measurement target repetition pattern of the Schwarztilde optical system.
請求項7記載の形状プロファイル測定装置において、
光学系は、短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置からなることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
In the shape profile measuring device according to claim 7,
An optical system comprises a scatterometry apparatus using a short wavelength light source, and a shape profile measuring apparatus.
実測した分光波形とシミュレーション波形との照合により形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置であって、
屈折型光学系と、前記屈折型光学系で発生する波長毎の色収差起因ぼけ関数を記憶する手段と、前記関数を用いてシミュレーション波形を変換した波形と実測した分光波形との照合を取る手段とを有することを特徴とする形状プロファイル測定装置。
A shape profile measuring device that performs shape profile measurement by comparing an actually measured spectral waveform with a simulation waveform,
A refractive optical system; means for storing a chromatic aberration-induced blur function for each wavelength generated in the refractive optical system; means for comparing a waveform obtained by converting a simulation waveform using the function with an actually measured spectral waveform; A shape profile measuring apparatus comprising:
請求項9記載の形状プロファイル測定装置において、
前記屈折型光学系は、短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置からなることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
In the shape profile measuring device according to claim 9,
The refraction type optical system comprises a scatterometry apparatus using a short wavelength light source.
請求項1乃至10のいずれか1項記載の形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法であって、
半導体ウェハ上に回路パターンを形成するリソグラフィ工程を有し、
前記リソグラフィ工程に前記形状プロファイル測定装置による形状プロファイル計測結果を反映させることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device using the shape profile measuring apparatus according to any one of claims 1 to 10,
A lithography process for forming a circuit pattern on a semiconductor wafer;
A manufacturing method of a semiconductor device, wherein a shape profile measurement result by the shape profile measuring apparatus is reflected in the lithography process.
請求項11記載の半導体デバイスの製造方法において、
前記リソグラフィ工程は、露光工程を含み、前記露光工程に前記形状プロファイル計測結果をフィードバックすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11.
The lithography process includes an exposure process, and the shape profile measurement result is fed back to the exposure process.
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