JP2005158937A - マーク位置検出装置の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きさの異なる多種類の位置ずれ検出用マークを測定する際のＴＩＳ値を全体的に低減することが可能なマーク位置検出装置の調整方法を提供する。
【解決手段】 、調整用マーク２の各辺の位置を測定し、外側正方形と内側正方形のＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置ずれをそれぞれ測定する。この測定を、最初に、調整用マーク２の中心を視野中心に一致させて行い、次に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に、それぞれ所定距離だけ離して、測定を行う。そして、これらのデータより、測定位置とそのときのＴＩＳとの関係を求め、ＴＩＳが小さくなるように、結像光学系のレンズのチルト調整機構、シフト調整機構、Ｚ軸まわりの回転機構を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウエハ等に多層のパターンを形成する際に、層間のパターンの位置ずれを検出するために使用される位置ずれ検出用マークの位置を検出するマーク位置検出装置の調整方法に関するものである。

例えば半導体デバイスの製造工程においては、ウエハ上に回路パターンを多層に形成し、層間の回路をコンタクトホール内に形成された導電体で結線することにより、集積度の高い半導体デバイスを製造することが行われている。各層は１回又は複数回のリソグラフィプロセスにより形成されるので、多層のパターンを形成するためには、層間の位置を正確に合わせることが必須の条件となっている。層間の位置ずれがあると、立体的な回路素子が正確に形成されず、形成された半導体デバイスが不良品となる。

そのために、所定層の回路パターンを形成すると同時に、位置ずれ検出用のマークを形成し、所定層のレジストの現像が終わった段階で、その下層に形成された位置ずれ検出用マークとその層に形成された位置ずれ検出用マークとの位置ずれを検出し、その位置ずれが所定範囲から外れた場合には、そのウエハを破棄するか、レジストを剥離して再度リソグラフィプロセスをやり直す方法が採用されている。

このような目的に使用される従来の位置ずれ検出用マークと、位置ずれ検査装置（マーク位置検出装置）の概要をそれぞれ図７、図８に示す。図７において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。１１は下層に形成された位置ずれ検出用マークであり、下層に形成されたパターンと同時に形成されている。１２は当該層に形成された位置ずれ検出用マークであり、レジストパターンとして形成されている。共に平面図において正方形であり、もし、下層と当該層に形成されたパターンに位置ずれが無い場合には、それらの中心が一致するようにされている。

このような位置ずれ検出用パターン１１、１２の相対位置関係を図８に示すような重ね合わせ測定装置により検出する。図８（ａ）において、光源２１から射出した広帯域波長の照明光束はコンデンサーレンズ２２によって集光され、視野絞り２３を均一に照明する。視野絞り２３は、図８（ｂ）に示すようにスリット状の開口ＡＰを有する。視野絞り２３を射出した光束は照明リレーレンズ２４によってコリメートされ、ビームスプリッター２５によって反射される。そして、第１対物レンズ２６によって集光され、ウエハ２７を垂直に照射する。ここで視野絞り２３とウエハ２７とは共役な位置にあるため、開口ＡＰの像は照明リレーレンズ２４、第１対物レンズ２６を介してウエハ２７上に結像する。

このようにして、開口ＡＰの像に対応する照明領域の照射光は、ウエハ２７上のマーク２８を照射している。ここで、ウエハ上の照明領域（ＡＰの像に対応）からの反射光Ｌは、第１対物レンズ２６によってコリメートされ、ビームスプリッター２５を透過し、第２対物レンズ２９によって再び集光され、ビームスプリッター３０により２つに分岐される。

ビームスプリッター３０を透過した光束は、第１リレーレンズ３１及び第２リレーレンズ３２によって撮像素子ＣＣＤ３４表面にウエハ２７上のマーク２８の像を結像する。なお、第１リレーレンズ３１と第２リレーレンズ３２との間には、開口絞り３３が設けられている。撮像素子ＣＣＤ３４からの出力信号は画像処理手段３５により処理され、ウエハ２７上のマーク２８の位置検出や重ね合わせ量の計測、及びテレビモニターによる観察が行われる。

一方、ビームスプリッター３０により反射された光束は、ＡＦ（オートフォーカス）第１リレーレンズ３６によってコリメートされた後、平行平面板３７を透過し、瞳分割ミラー３８上に照明開口絞り３９の像を結像する。平行平面板３７は照明開口絞り像を瞳分割ミラー３８の中心に位置調整するためのものであり、チルト調整が可能な構造になっている。光束Ｌは瞳分割ミラーによって二光束に分離され、ＡＦ第２リレーレンズ４０により再び集光される。さらに、シリンドリカルレンズ４１を介してＡＦセンサー４２上の計測方向に関して離れた２個所に光束Ｌを結像する。また、非計測方向に関してはシリンドリカルレンズ４１が屈折力を持ち、光束ＬはＡＦセンサー４２上に光源像を結像する。オートフォーカスの動作原理は、例えば、特開２００２−４０３２２号公報にその詳細が記載されているので、その説明を省略する。なお、図８において、４３はウエハステージ、４４はウエハステージ駆動装置である。

以下、画像処理により位置ずれ検出用パターン１１の中心を検出する方法について説明する。撮像カメラ２９の画素を（ｉ、ｊ）で表し、これらの画素の輝度をＢ（ｉ，ｊ）とする。位置ずれ検出用パターン１１の各辺はｉ方向、ｊ方向となるように位置決めされているとする。そして、各辺からの輝度が、他の部分に比して高いものとする。

画素数はｉ方向、ｊ方向共にＮであるとすると、

を計算する。このようにすると、ＢＩ（ｉ）については、位置ずれ検出用パターンのｊ方向の辺が存在する位置に対応する２つのピークが、ＢＪ（ｊ）については、位置ずれ検出用パターンのｉ方向の辺が存在する位置に対応する２つのピークが得られる。

次に、折り返し相関法を使用して、それぞれこの２つのピークの中心を求める。例として、位置ずれ検出用パターンのｊ方向の辺が存在する位置の中心を求める方法を説明する。ｘ−ｙ平面上でｉをｘ軸方向にとり、ＢＩ（ｉ）をｙ軸方向にとった場合、直線ｘ＝ｘ０に対して、ＢＩ（ｉ）を反転させたパターンをＣＩ（ｉとする。そして、ＢＩ（ｉ）とＣＩ（ｉ）の相互相関ＣＣ（ｘ０）を求める。すなわち、

そして、この相互相関値ＣＣ（ｘ０）が最大になるｘ０を、位置ずれ検出用パターンのｊ方向の辺が存在する位置の中心とする。この手法は、折り返し相関法として知られたものである。同様の方法により、位置ずれ検出用パターンのｉ方向の辺が存在する位置の中心を求める。これにより、位置ずれ検出用パターン１１の中心が分かる。位置ずれ検出用パターン１２の中心の検出も同じようにして行う。

このようにして、位置ずれ検出用パターン１１と１２の中心が分かれば、これらから、下層のパターンと当該パターンの位置ずれを知ることができる。

このような位置ずれ検査装置において、測定光学系（結像手段）における像高毎の収差量が測定視野の中心に対して非対称であり、その収差が非回転対称な成分を有する場合には、系統的な測定誤差（ＴＩＳ：Tool Induced Shift）を生ずる。その他にも照明光束の主光線の傾斜があったり、測定マークによる回折光の光束が非対称にけられていた場合もＴＩＳが発生する。さらに、このような測定光学系で測定した場合、視野内の測定位置によって測定値が変化し、再現性を悪化させる要因となる。

このような問題点を解決する方法の一例が特開２０００−７７２９５号公報（特許文献１）に記載されている。これは、結像手段において１つまたは複数のデフォーカス状態で検出した位相パターンのエッジに対応する像の非対称性と、位相パターンまたは結像手段をその検出中心の周りに１８０度回転させた状態で結像手段において１つまたは複数のデフォーカス状態で検出した位相パターンのエッジに対応する像の非対称性とに基づいて、結像手段に起因する像の非対称性の検出誤差を補正するものである。像の非対称性を補正する手段としては、照明開口絞り、結像開口絞り、第２対物レンズを使用するようになっている。

又、特開２００３−１５１８７９号公報（特許文献２）には、測定光学系内の一部分の光学要素にチルト調整機構を設け、視野中心に重ね合わせマークを配置し、この重ね合わせマークを用いてＴＩＳ値を計測し、その計測結果を指標として調整作業を行なうことで、測定視野領域において非対称な歪曲収差によって生じているＴＩＳ値の発生を抑え、測定値に含まれる測定誤差を低減する方法が開示されている。

特開２０００−７７２９５号公報 特開２００３−１５１８７９号公報

しかしながら、前記特許文献１、特許文献２に記載される技術では、特定の位置ずれ検出用マークを測定したときのＴＩＳ値を低減することは可能であるが、大きさの異なる多種類の重ね合わせマークのＴＩＳ値を全体的に低減することは不可能であった。さらに、測定再現性の向上も不十分であり、改善することが必要であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、大きさの異なる多種類の位置ずれ検出用マークを測定する際のＴＩＳ値を全体的に低減することが可能であり、測定再現性を良くすることができる、マーク位置検出装置の調整方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、積層された２層間のパターンの位置ずれを検査するためのマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、測定マークに白色光を照明する照明手段と、前記測定マークから反射した反射光を結像面に結像させる結像手段と、前記結像面に設けられた撮像手段と、前記撮像手段の出力信号を解析する画像処理手段を有し、前記結像手段中には、偏心調整機構を有する結像レンズが設けられているものにおける、測定誤差を補正する方法であって、マークを視野内の３カ所以上で測定して、その測定値に応じて、前記結像レンズの偏心調整機構を操作し、前記測定値の変化が少なくなるように前記結像手段の調整を行う工程を有することを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法（請求項１）である。

本手段においては、普通は、通常使用される位置ずれ検出用マークよりも小さな調整用マークを使用し、この調整用マークを視野内の３カ所以上で測定して、そのマークに特有の測定値を求める。これにより、視野内の広範囲の領域におけるＴＩＳの発生傾向を知ることができる。そして、知見したＴＩＳの発生傾向に基づいて、測定値の変化が少なくなるように、結像レンズの偏心機構を操作して結像手段の調整を行う。このようにすれば、視野内の広範囲の領域においてＴＩＳの変化量を小さくできるか、ＴＩＳ量を微小にすることができるので、どのような大きさの位置ずれ検出用マークを用いても、ＴＩＳ値を小さくすることでき、かつ測定再現性の良いマーク位置検出装置とすることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記マークが１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線を有し、前記測定値が、前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離であることを特徴とするもの（請求項２）である。

本手段においては、前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離を第１の手段における測定値として、これを指標にして測定値の変化が少なくなるように、結像レンズの偏心機構を操作して結像手段の調整を行う。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、前記マークの前記１本の線を視野中心に置いたときの前記測定値から、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこの真値を差し引いたものを採用することを特徴とするもの（請求項３）である。

本手段においては、前記マークの前記１本の線を視野中心に置き、そのときの測定値から、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値を求める。そして、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこの真値を差し引いたものを採用する。このようにすると、前記測定値として、ＴＩＳに起因する測定値誤差の相対的変化量のみでなく、各位置におけるＴＩＳに起因する測定値誤差の絶対値が分かる。よって、調整により、ＴＩＳに起因する測定誤差の絶対値を小さくすることが可能となる。視野中心に置いたマークの測定値から前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値を求める方法の例は、後に発明を実施するための最良の形態の欄で説明する。

なお、「視野中心に置く」と言うことは、必ずしも絶対的に視野中心に一致させる必要はなく、位置設定誤差、計測誤差の範囲内で視野中心からわずかに外れる場合を含み、このことは、本明細書及び請求の範囲において同じである。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、前記マークが、２組の平行な２本の組を有し、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致するものであり、前記測定値が、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離であることを特徴とするもの（請求項４）である。

本手段においては、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離を第１の手段における測定値として、これを指標にして測定値の変化が少なくなるように、結像レンズの偏心機構を操作して結像手段の調整を行う。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記第１の組の２本の線の中心線を視野中心においたときの前記測定値から、前記第１の組の２本の線の中心線と、前記第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこの真値を差し引いたものを採用することを特徴とするもの（請求項５）である。

本手段においては、前記第１の組の２本の線の中心線を視野中心に置き、そのときの測定値から、前記第１の組の２本の線の中心線と、前記第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求める。そして、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこの真値を差し引いたものを採用する。このようにすると、前記測定値として、ＴＩＳに起因する測定値誤差の相対的変化量のみでなく、各位置におけるＴＩＳに起因する測定値誤差の絶対値が分かる。よって、調整により、ＴＩＳに起因する測定誤差の絶対値を小さくすることが可能となる。視野中心に置いたマークの測定値から前記第１の組の２本の線の中心線と、前記第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求める方法の例は、後に発明を実施するための最良の形態の欄で説明する。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段であって、前記マークが１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第１マークと、この第１マークと直角な方向を向いた１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第２マークとを有し、前記測定値が、前記第１マークと前記第２マークそれぞれにおける、前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離であることを特徴とするもの（請求項６）である。

本手段は、基本的には、前記第２の手段と同等なものであるが、同一種類のマークが、直交する方向にそれぞれ設けられており、これにより、互いに直交する２つの方向のＴＩＳの測定と調整が可能なようになっている。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段であって、前記第１マークの前記１本の線と前記第２マークの前記１本の線の交点を視野中心に置いたときの前記測定値から、前記第１マーク、前第２マークそれぞれの、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこれらの真値を差し引いたものを採用することを特徴とするもの（請求項７）である。

本手段は、基本的には、前記第３の手段と同等なものであるが、同一種類のマークが、直交する方向にそれぞれ設けられており、これにより、互いに直交する２つの方向のＴＩＳの測定と調整が可能なようになっている。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記１第の手段であって、前記マークが、２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第１マークと、この第１マークと直角な方向を向いた２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第２マークとを有し、前記測定値が、前記第１マークと前記第２マークそれぞれにおける、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離であることを特徴とするもの（請求項８）である。

本手段は、基本的には、前記第４の手段と同等なものであるが、同一種類のマークが、直交する方向にそれぞれ設けられており、これにより、互いに直交する２つの方向のＴＩＳの測定と調整が可能なようになっている。

前記課題を解決するための第９の手段は、前記第１の手段であって、前記２組のマークの２本の線の中心線の交点を視野中心に置いたときの、前記測定値から、前記第１マーク、前第２マークそれぞれの、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこれらの真値を差し引いたものを採用することを特徴とするもの（請求項９）である。

本手段は、基本的には、前記第５の手段と同等なものであるが、同一種類のマークが、直交する方向にそれぞれ設けられており、これにより、互いに直交する２つの方向のＴＩＳの測定と調整が可能なようになっている。

前記課題を解決するための第１０の手段は、前記１第の手段であって、前記マークが１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第１マークと、この第１マークと直角な方向を向いた２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第２マークとを有し、前記測定値が、前記第１マークの前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離、及び前記第２マークの第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離であることを特徴とするもの（請求項１０）である。

本手段においては、一方向には、１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第１マークが、それと直交する方向には、２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第２マークが設けられている。これにより、互いに直交する２つの方向のＴＩＳの測定と調整が可能なようになっている。

前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第１０の手段であって、前記第１マークの前記１本の線と前記第２マークの２本の線の中心線との交点を視野中心に置いたときの前記測定値から、それぞれ、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値、前記第１の組の２本の線の中心線と、前記第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこれらの真値を差し引いたものを採用することを特徴とするもの（請求項１１）である。

本手段は、前記第３の手段、第５の手段を組み合わせたようなものであり、基本的にはこれらの手段と同じである。そして、これにより、互いに直交する２つの方向のＴＩＳの測定と調整が可能なようになっている。

前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第１の手段から第１１の手段であって、前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの１次成分を、前記結像レンズのシフトにより調整することを特徴とするもの（請求項１２）である。

前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの１次成分（関数の１次の項の係数）は、結像レンズのシフト（光軸に垂直な方向への移動）により調整が可能である。

前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第１の手段から第１１の手段であって、前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの２次成分を、前記結像レンズの光軸まわりの回転により調整することを特徴とするもの（請求項１３）である。

前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの２次成分（関数の２次の項の係数）は、結像レンズの光軸まわりの回転により調整が可能である。

前記課題を解決するための第１４の手段は、前記第１の手段、第３の手段、第５の手段、第７の手段、第９の手段、第１１の手段であって、前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの０次成分（バイアス）を、前記結像レンズの傾き（チルト）により調整することを特徴とするもの（請求項１４）である。

前記第１の手段、第３の手段、第５の手段、第７の手段、第９の手段、第１１の手段においては、視野内各位置におけるＴＩＳの相対的な変化量のみでなく、絶対値も測定することができる。よって、前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの０次成分（バイアス）が分かり、これは、前記結像レンズの傾き（チルト）により調整することができる。

前記課題を解決するための第１５の手段は、積層された２層間のパターンの位置ずれを、前記積層された２層のうち下層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置と、上層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置との距離を検出して検査するためのマーク位置検出装置であって、マークを照明する照明手段と、前記マークから反射した反射光を結像面に結像させる結像手段と、前記結像面に設けられた撮像手段と、前記撮像手段の出力信号を解析する画像処理手段とを有し、前記結像手段中には偏心調整機構を有する結像レンズが設けられ、前記結像レンズの調整によって、前記距離の測定値Ｌが、視野内の全ての位置で以下の式を満足することを特徴とするもの（請求項１５）である。
Ｌ ≦ Ｌave ± ５ｎｍ
但し、Ｌaveは視野内全域での測定値の平均値である。

前記課題を解決するための第１６の手段は、前記第１５の手段であって、前記距離の測定値Ｌが、前記視野内の全ての位置で以下の式を満足することを特徴とするもの（請求項１６）である。
Ｌ ≦ Ｌｔ ± ５ｎｍ
但し、Ｌｔは前記距離の真値である。

前記課題を解決するための第１７の手段は、積層された２層間のパターンの位置ずれを、前記積層された２層のうち下層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置と、上層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置との距離を検出して検査するためのマーク位置検出装置であって、該マーク位置検出装置は、マークを照明する照明手段と、前記マークから反射した反射光を結像面に結像させる結像手段と、前記結像面に設けられた撮像手段と、前記撮像手段の出力信号を解析する画像処理手段と、前記撮像手段を制御する制御手段と、マークを有する基板を置載するためのステージと、該マークと前記結像手段とを視野内で所定のピッチで基板面に対して平行な方向に相対移動させる移動手段を有し、前記制御手段は前記移動手段による移動に伴う視野内の位置ごとのマーク像を撮像し、前記画像処理手段は前記視野内の位置ごとに前記距離の測定値を出力することを特徴とするもの（請求項１７）である。

以上説明したように、本発明によれば、大きさの異なる多種類の位置ずれ検出用マークを測定する際のＴＩＳ値を全体的に低減することが可能であり、測定再現性を良くすることができる、マーク位置検出装置の調整方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。この実施の形態であるマーク位置検出装置の調整方法を適用するマーク位置検出装置は、図８に示したものと変わるところはない。

図１に、このようなマーク位置検出装置の測定視野領域と、調整用マークの測定位置の例を示す。図１において１は測定視野領域であり、この場合は正方形である。この正方形の測定視野領域１の各辺に平行にＸ軸、Ｙ軸をとり、その交点が視野中心となるようにする。

２は調整用マークであり、図７に示したようなボックス型のマークであるが、この場合には、層間の位置ずれを測定するものではないので、同じ基板表面上に形成されている。調整用マーク２は、外側正方形と内側正方形からなり、各正方形の辺は平行で、各正方形の中心は一致するように設計されているが、実際には製造上の誤差により極わずかのずれがある。

背景技術の欄で述べたような方法で、調整用マーク２の各辺の位置を測定し、外側正方形と内側正方形のＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置ずれをそれぞれ測定する。この測定を、最初に、調整用マーク２の中心を視野中心に一致させて行い、次に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に、それぞれ所定距離だけ離して、測定を行う。この場合、調整用マーク２の中心位置の座標を表すのに、（Ｉ，Ｊ）を使用する。（０，０）は、調整用マーク２の中心が視野中心にあることを示し、（Ｉ，Ｊ）は、調整用マーク２の中心が視野中心から、それぞれ、Ｘ軸正方向、Ｙ軸正方向に、前記所定距離のＩ倍、Ｊ倍ずれた位置にあることを示す。

図１の場合は、Ｉ＝−２〜２、Ｊ＝−２〜２である。但し、この図は分かりやすくするために、調整用マーク２が重なり合わないように簡略化して書いてあり、実際には、前記所定距離を短くとって、測定回数を多くする。例えば、測定視野領域の大きさがＸ軸、Ｙ軸方向に±１５μｍであるような場合には、外側正方形が１０μｍ角、内側正方形が５μｍ角の調整用マーク２を使用し、前記所定距離を１μｍにとって、Ｘ軸、Ｙ軸方向に１μｍピッチで測定を行う。

以下の説明については、Ｘ軸方向のＴＩＳを検出する方法について説明する。Ｙ軸方向についても原理は全く同じであるので、説明を省略する。

各測定位置（Ｉ，Ｊ）における外側正方形のＹ軸に平行な２つの辺の位置を、背景技術で説明した方法により測定し、その中心位置を求める。同様、その位置における内側正方形のＹ軸に平行な２つの辺の位置を、背景技術で説明した方法により測定し、その中心位置を求める。そして、この２つの中心位置の差をＬ_０（Ｉ，Ｊ）とする。

次に、調整用マーク２を180°回転した状態で、測定視野中心に置き、同様にして外側正方形の２辺の中心線と、内側正方形中心線の位置の差を求め、それをＬ_１８０（０，０）とする。

今、調整用マーク２の製作誤差による外側正方形の２辺の中心線と、内側正方形中心線の位置の差をＬtとし、ＴＩＳ量をTIS（０，０）とすると、
Ｌ_０(0,0)＝Ｌt＋TIS(0,0)
Ｌ_１８０(0,0)＝−Ｌt＋TIS(0,0)
であるので
上記測定値よりＬtは以下のように求められる。
Ｌt＝（Ｌ_０(0,0)−Ｌ_１８０(0,0)）／２ …(4)
これより、各測定点（Ｉ，Ｊ）におけるＴＩＳ量TIS（Ｉ，Ｊ）は、以下のように求められる。
TIS(I,J)＝Ｌ_０(Ｉ,Ｊ)−Ｌt …(5)
（５）式が示すように測定値Ｌ_０(Ｉ,Ｊ)が視野内の測定位置により変化する場合、それに伴いＴＩＳ値も変化する。図２はＸ軸上のＴＩＳ値である、TIS（Ｉ，０）とＩとの関係を示す図である（本来はＩが離散的であるので離散的な図であるが、内挿補間を行い曲線で示してある）。このようなＴＩＳ値の視野内依存性を示すグラフをＴＩＳマップと呼ぶことにする。

図２に示すようなＴＩＳの変動があると、測定位置により測定されるＬ_０(Ｉ,Ｊ)が変化し、測定の再現性が悪化する。ＴＩＳ値が測定マークの大きさによって変化するために、安定した精度を実現することが困難となる。よって、図２に示すような特性を、なるべくＩ軸に近くなるように調整する必要がある。即ち、ＴＩＳ量TIS（Ｉ，Ｊ）がＴＩＳマップにおいて計測位置によらず、ほぼ一定の値を示し、かつTIS（Ｉ，Ｊ）がある規格値以下であるように調整する。

本実施の形態においては、図８に図示したように、第２リレーレンズ３２は、Ｘ軸及びＹ軸のまわりにチルト調整が可能なチルト調整機構、Ｘ軸及びＹ軸方向にシフト調整可能なシフト調整機構、Ｚ軸まわりの回転機構を有する。

第２リレーレンズのシフト調整を行うと、図３に示すようにＴＩＳマップの傾斜成分が低減し、Ｉによらずに、ほぼ一定の値となる。一般的に図８に示すような結像光学系は組立製造誤差を持ち、各レンズ部品は偏心誤差を有する。また、結像光学系の各レンズ部品の研磨面形状は球面でなく、非球面誤差を有しており、その量が大きいほどＴＩＳ値は増大する。例えば、結像光学系に4次の非球面収差が存在し、且つ各レンズ部品が偏心誤差を有する場合には、ＴＩＳマップは図３のように測定位置Ｉに対して１次関数的に変化する。

これが、ＴＩＳマップにおいて傾斜成分（ＴＩＳをＩの関数で表したときの１次の項の成分）を生じさせる。そのような場合、第２リレーレンズ以外で発生した非球面の成分を第２リレーレンズの非球面の成分でキャンセルするような適切な位置に、第２リレーレンズ３２をシフト調整することにより補正し、ＴＩＳマップの傾斜成分を低減させることができる。

次に、第２リレーレンズ３２のチルト調整を行うことにより、図４に示すように、ＴＩＳマップの絶対値成分（０次成分）を低減させ、Ｉによらず、ある規格値以下の値となるように調整する。これは、第２リレーレンズ３２のチルト偏心によって、結像光学系のディストーションを、視野中心に対して対称に調整することに相当する。一般的に図８に示すような結像光学系は組立製造誤差を持ち、各レンズ部品は偏心誤差を有する。この場合、測定視野領域として決定された位置においてディストーションが視野中心に対して非対称に分布しており、これがＴＩＳマップにおける絶対値成分を生じる。よって、第２リレーレンズ３２を最適な位置にチルト調整し、ＴＩＳマップにおける絶対値成分を低減させる。

実際には、第２リレーレンズ３２をシフトすると、ＴＩＳマップにおける絶対値成分も変動し、第２リレーレンズ３２のシフト量を変えるとＴＩＳマップにおける傾斜も変動する。よって、実際の調整においては、第２リレーレンズ３２のシフト調整とチルト調整を、交互に数回繰り返して調整を行う。

上記調整を行う場合に、ＴＩＳマップを自動で測定できるようにしておけば、第２リレーレンズ３２のシフト調整及びチルト調整中のＴＩＳマップをその都度効率的に得ることができる。この場合には、ウエハステージを所定のピッチで移動させるウエハステージ駆動装置自動制御機構と、ウエハステージの移動に伴い視野内の所定の位置に移動したマークの撮像を行う撮像装置自動制御機構とを設け、撮像装置の各視野位置での出力信号に基づき、各視野位置でのＴＩＳ値を画像処理手段から自動出力するようにすればよい。また、画像処理手段がＴＩＳマップを直接出力するようにすれば更に好ましい。

なお、ＴＩＳマップにおけるＴＩＳ値の変動だけが問題となり、その絶対値が問題とならないような場合があれば、前述のＴＩＳマップの傾斜分の調整のみを行えばよい。この場合には、Ｌtの値は問題とならないので、単にＬ_０(Ｉ,０)の傾斜が小さくなるように調整を行えばよく、従って、Ｌ_１８０(０,０)を求める必要はない。

以上のような調整方法でＴＩＳマップにおける絶対値成分（０次成分、バイアス）と、傾斜（１次成分）の調整が可能である。しかし、ＴＩＳマップに２次成分が含まれることがある。

前述のように、図８に示すような結像光学系の各レンズ部品の研磨面形状は球面でなく非球面誤差を有しており、その量が大きいほどＴＩＳ値は増大する。ＴＩＳマップにおけるＴＩＳは、一般にこのような非球面誤差の３階微分に比例すると言われている。例えば、第２リレーレンズ以外の光学部品に非球面誤差が介在し、その結果、非回転対称な５次の非球面誤差が存在する場合には、ＴＩＳマップは図５の曲線ａのように測定位置Ｉに対して２次関数的に変化する（実際には、１次成分と絶対値成分が併存するが、ここでは、前述のような調整により、これらの成分が０となるように調整済であるとしている）。

そのような場合、第２リレーレンズ３２以外の光学部品に介在する非球面誤差によって生じたＴＩＳ値を、第２リレーレンズ３２の非球面誤差でキャンセルするように調整できる。即ち、第２リレーレンズ３２にも同程度の５次の非球面誤差が存在する場合には、それにより新たに発生するＴＩＳが曲線ｂとなるように、第２リレーレンズ３２をＺ軸のまわりに回転調整する。その結果、結像光学系全体のＴＩＳ値の視野位置依存性は、図５の曲線ｃのように適切な状態となる。

ラインアンドスペースパターンにおける重ね合せ許容量はラインアンドスペースのピッチの１／６、重ね合せ精度は重ね合せ許容量の１／１０とされる。従って０．３μｍピッチのラインアンドスペースの場合、重ね合せ許容量は５０ｎｍ、重ね合せ測定精度は５ｎｍが要求される。通常、結像光学系の各レンズ部品の研磨面の非球面誤差を５ｎｍの精度を満足するように抑えることは困難であるが、上述の調整を行うことにより、重ね合せ精度を５ｎｍ以下に抑えることができる。

更に、0.14μｍピッチのラインアンドスペースの場合は、重ね合せ許容量は２３ｎｍ、重ね合せ測定精度は２．３ｎｍが要求される。この場合にも、調整パターンサイズや形状を工夫して上述の調整を行うことによりこの重ね合せ精度２ｎｍを満足する結像光学系を提供することができる。

以上の説明においては、調整用マークは、ボックス型のマークを用いたが、この他に、図６に示すような種々のマークが使用できる。勿論、本発明において使用する調整用マークはこれらに限定されるものではない。

（ａ）は、Ｘ方向調整用マークとして１本の線３Ｘａと、それに平行な２本の線３Ｘｂ，３Ｘｃが設けられており、この２本の線３Ｘｂ，３Ｘｃの中心線が、１本の線３Ｘａと一致するように設計されている。この調整用マークを使用する場合には、これら３本の線３Ｘａ、３Ｘｂ、３Ｘｃの位置を、背景技術の方法により測定し、平行な２本の線３Ｘｂ，３Ｘｃの中心線と、１本の線３Ｘａの位置ずれを測定値として、前述の実施の形態と同じような調整を行えばよい。即ち、前述の実施の形態において、内側の平行な辺の中心線の代わりに、１本の線３Ｘａを使用すればよい。同様、Ｙ軸方向調整用マークとして、１本の線３Ｙａと、それに平行な２本の線３Ｙｂ，３Ｙｃが設けられている。これらの使用方法は、線３Ｘａ、３Ｘｂ、３Ｘｃと同じである。

（ｂ）は、Ｘ軸方向調整用マークとして、２本の平行線（４Ｘａ，４Ｘｂ）と、２本の平行線（４Ｘｃ，４Ｘｄ）が２組設けられたものであって、広幅の平行線４Ｘｃ，４Ｘｄの中心線と狭幅の平行線４Ｘａ，４Ｘｂの中心線が一致するように設計されている。このような調整用マークが、前述の実施の形態で使用したボックス型のマークと等価であることは、説明を要しないであろう。同様、Ｙ軸方向調整用マークとして、２本の平行線（４Ｙａ，４Ｙｂ）と、２本の平行線（４Ｙｃ，４Ｙｄ）が２組設けられている。

（ｃ）は、Ｘ軸方向調整用マークとして（ｂ）に示したような線５Ｘａ〜５Ｘｄ、Ｙ軸方向調整用マークとして（ａ）に示したような線５Ｘａ、５Ｘｂ、５Ｘｃを使用した例である。このようなマークも、調整用マークとして使用できることは説明を要しないであろう。

尚、基板上に、幅を有さない線を形成することは困難であり、ここで規定される線とは、所定の幅を有するラインのどちらか一方のエッジまたは、ラインの中心線を示す。ラインの中心線を求める場合には相関演算を行えばよく、相関処理については例えば特開平７−１５１５１４号公報に記載のものを応用することができる。

一般に、調整用マークの大きさは、測定視野領域のサイズの１/５程度が望ましい。調整用マークを移動させて測定するための間隔は、短いほど調整精度が高くなるが、その分測定時間を要するので、これを考慮して１μｍ程度であることが好ましい。ＴＩＳマップの調整には、結像光学系に含まれる第２対物レンズ２９、第1リレーレンズ３１を使用してもよいが、より撮像素子側に配置した第２リレーレンズ３２を使用することが好ましい。特に、図８に示すように開口絞り３３が設けられている場合には、その後に配置された第２リレーレンズ３２で調整を行うことが好ましい。

また、結像光学系のうち、シフト調整及びチルト調整機構を有するレンズは単レンズに限らず、接合レンズであってもよく、また、互いに隣接する複数のレンズであってもよい。
更に、本願の実施例では、リレーレンズを有する結像光学系において、第２リレーレンズ３２の偏心調整を行う例を示したが、リレーレンズを有さない結像光学系の場合には結像レンズ２９の偏心調整を行うことにより同様の効果を得ることができる。この場合にも、シフト調整及びチルト調整機構を有するレンズは結像レンズ２９のうちの少なくとも１枚の単レンズまたは接合レンズであってもよく、また、互いに隣接する複数のレンズであってもよいことは同様である。

マーク位置検出装置の測定視野領域と、調整用マークの測定位置の例を示す図である。 Ｘ軸方向のＴＩＳマップの例を示す図である。 図３に示すＴＩＳマップの傾斜成分の調整を示す図である。 図３に示す調整を行った後の、ＴＩＳマップの絶対値成分の調整を示す図である。 第２リレーレンズの回転調整を行った時のＴＩＳマップの変化を示す図である。 調整用マークの例を示す図である。 従来の位置ずれ検出用マークの例を示す図である。 位置ずれ検査装置（マーク位置検出装置）の例を示す図である。

符号の説明

１…測定視野領域、２…調整用マーク、３Ｘａ〜３Ｘｃ…線、３Ｙａ〜３Ｙｃ…線、４Ｘａ〜４Ｘｄ…線、４Ｙａ〜４Ｙｄ…線、５Ｘａ〜５Ｘｄ…線、５Ｙａ〜５Ｙｃ…線、１１，１２…検出用パターン、２１…光源、２２…コンデンサーレンズ、２３…視野絞り、２４…照明リレーレンズ、２５…ビームスプリッター、２６…第１対物レンズ、２７…ウエハ、２８…マーク、２９…第２対物レンズ、３０…ビームスプリッター、３１…第１リレーレンズ、３２…第２リレーレンズ、３３…開口絞り、３４…撮像素子ＣＣＤ、３５…画像処理手段、３６…第１リレーレンズ、３７…平行平面板、３８…瞳分割ミラー、３９…照明開口絞り、４０…ＡＦ第２リレーレンズ、４１…シリンドリカルレンズ、４２…ＡＦセンサー、４３…ウエハステージ、４４…ウエハステージ駆動装置

Claims (17)

1. 積層された２層間のパターンの位置ずれを検査するためのマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、測定マークに白色光を照明する照明手段と、前記測定マークから反射した反射光を結像面に結像させる結像手段と、前記結像面に設けられた撮像手段と、前記撮像手段の出力信号を解析する画像処理手段を有し、前記結像手段中には、偏心調整機構を有する結像レンズが設けられているものにおける、測定誤差を補正する方法であって、マークを視野内の３カ所以上で測定して、その測定値に応じて、前記結像レンズの偏心調整機構を操作し、前記測定値の変化が少なくなるように前記結像手段の調整を行う工程を有することを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法。
2. 前記マークが１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線を有し、前記測定値が、前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離であることを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
3. 前記マークの前記１本の線を視野中心に置いたときの前記測定値から、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこの真値を差し引いたものを採用することを特徴とする請求項２に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
4. 前記マークが、２組の平行な２本の組を有し、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致するものであり、前記測定値が、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離であることを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
5. 前記第１の組の２本の線の中心線を視野中心においたときの前記測定値から、前記第１の組の２本の線の中心線と、前記第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこの真値を差し引いたものを採用することを特徴とする請求項４に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
6. 前記マークが１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第１マークと、この第１マークと直角な方向を向いた１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第２マークとを有し、前記測定値が、前記第１マークと前記第２マークそれぞれにおける、前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離であることを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
7. 前記第１マークの前記１本の線と前記第２マークの前記１本の線の交点を視野中心に置いたときの前記測定値から、前記第１マーク、前第２マークそれぞれの、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこれらの真値を差し引いたものを採用することを特徴とする請求項６に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
8. 前記マークが、２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第１マークと、この第１マークと直角な方向を向いた２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第２マークとを有し、前記測定値が、前記第１マークと前記第２マークそれぞれにおける、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離であることを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
9. 前記２組のマークの２本の線の中心線の交点を視野中心に置いたときの、前記測定値から、前記第１マーク、前第２マークそれぞれの、第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこれらの真値を差し引いたものを採用することを特徴とする請求項８に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
10. 前記マークが１本の線と、その線に平行で、中心線の位置が前記１本の線と略等しい位置にある２本の線からなる第１マークと、この第１マークと直角な方向を向いた２組の平行な２本の組からなり、各組の２本の線の中心線の位置がほぼ一致する第２マークとを有し、前記測定値が、前記第１マークの前記１本の線と、前記２本の線の中心線との距離、及び前記第２マークの第１の組の２本の線の中心線と、第２の組の２本の線の中心線との距離であることを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
11. 前記第１マークの前記１本の線と前記第２マークの２本の線の中心線との交点を視野中心に置いたときの前記測定値から、それぞれ、前記１本の線と、前記２本の線の中心線の距離の真値、前記第１の組の２本の線の中心線と、前記第２の組の２本の線の中心線との距離の真値を求め、各位置における測定値として、実際の前記測定値からこれらの真値を差し引いたものを採用することを特徴とする請求項１０に記載のマーク位置検出装置の調整方法。
12. 請求項１から請求項１１のうちいずれか１項に記載のマーク位置検出装置の調整方法であって、前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの１次成分を、前記結像レンズのシフトにより調整することを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法。
13. 請求項１から請求項１１のうちいずれか１項に記載のマーク位置検出装置の調整方法であって、前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの２次成分を、前記結像レンズの光軸まわりの回転により調整することを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法。
14. 請求項１、請求項３、請求項５、請求項７、請求項９、請求項１１のうちいずれか１項に記載のマーク位置検出装置の調整方法であって、前記マーク、前記第１マーク、前記第２マークのいずれかの前記測定値を、これらのマークの位置の関数として近似したときの０次成分（バイアス）を、前記結像レンズの傾き（チルト）により調整することを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法。
15. 積層された２層間のパターンの位置ずれを、前記積層された２層のうち下層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置と、上層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置との距離を検出して検査するためのマーク位置検出装置であって、マークを照明する照明手段と、前記マークから反射した反射光を結像面に結像させる結像手段と、前記結像面に設けられた撮像手段と、前記撮像手段の出力信号を解析する画像処理手段とを有し、前記結像手段中には偏心調整機構を有する結像レンズが設けられ、前記結像レンズの調整によって、前記距離の測定値Ｌが、視野内の全ての位置で以下の式を満足することを特徴とするマーク位置検出装置。
    Ｌ ≦Ｌave ± ５ｎｍ
    但し、Ｌaveは視野内全域での測定値の平均値である。
16. 請求項１５に記載のマーク位置検出装置であって、前記距離の測定値Ｌが、前記視野内の全ての位置で以下の式を満足することを特徴とするマーク位置検出装置。
    Ｌ ≦ Ｌｔ ± ５ｎｍ
    但し、Ｌｔは前記距離の真値である。
17. 積層された２層間のパターンの位置ずれを、前記積層された２層のうち下層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置と、上層に形成された少なくとも１つのマークの中心位置との距離を検出して検査するためのマーク位置検出装置であって、該マーク位置検出装置は、マークを照明する照明手段と、前記マークから反射した反射光を結像面に結像させる結像手段と、前記結像面に設けられた撮像手段と、前記撮像手段の出力信号を解析する画像処理手段と、前記撮像手段を制御する制御手段と、マークを有する基板を置載するためのステージと、該マークと前記結像手段とを視野内で所定のピッチで基板面に対して平行な方向に相対移動させる移動手段を有し、前記制御手段は前記移動手段による移動に伴う視野内の位置ごとのマーク像を撮像し、前記画像処理手段は前記視野内の位置ごとに前記距離の測定値を出力することを特徴とするマーク位置検出装置。
    

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