JP2007005649A - 重ね合わせ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエハのプロセス条件が変化しても、重ね合わせ測定値を高い信頼性で求めることができる重ね合わせ測定装置を提供する。
【解決手段】 基板１１の異なる層に形成された第１マークと第２マークの像を形成する結像光学系１９〜２５と、基板と結像光学系との相対位置を調整し、第１マークと第２マークの焦点合わせを行う手段１２,２７,２８と、焦点合わせの後、相対位置のオフセットおよび／または結像光学系の像面に入射する光の波長域を変化させて光学条件を順に設定する手段１２,３Ｂ,２７と、各光学条件で第１マークと第２マークの画像を取り込み、該画像から重ね合わせずれ量を求める手段２７と、オフセットが同じで波長域が異なる複数の光学条件での重ね合わせずれ量のばらつきを、各オフセットごとに求め、該ばらつきが最も小さいオフセットをレシピに登録すべき情報として決定する手段２７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子や液晶表示素子などの製造工程において基板の各層の重ね合わせ検査を行う重ね合わせ測定装置に関する。

半導体の製造において、ウエハ上の各プロセスレイヤー間の重ね合わせずれがチップの歩留まりや性能に大きな影響を与えている。この重ね合わせずれ量を測定する重ね合わせ測定装置は良く知られている。この重ね合わせ測定装置の性能を測る指標として、測定値の再現性や、ＴＩＳ（測定値の正反差）というものがある（例えば非特許文献１を参照）。特に、このＴＩＳ値は、フォーカス依存性があることが記載されている（非特許文献１の図５）
SPIE vol.1673 Integrated Circuit Metrology,Inspection,and Process Control VI(1992),Pages148-156

従来の重ね合わせ測定装置では、性能を測る指標としてＴＩＳを用いているが、ウエハの処理プロセスが変更されると、これらの指標も変化してしまい、高精度の測定が困難である。
本発明の目的は、ウエハのプロセス条件が変化しても、重ね合わせ測定値を高い信頼性で求めることができる重ね合わせ測定装置を提供することにある。

本発明の重ね合わせ測定装置は、基板の異なる層に形成された互いに所定の位置関係を有する第１マークと第２マークとの像を結像する結像光学系と、前記基板と前記結像光学系との相対位置を調整し、前記第１マークと前記第２マークとに焦点合わせを行う調整手段と、前記焦点合わせの後、前記相対位置のオフセット位置および／または前記結像光学系の像面に入射する光の波長を変化させ、前記オフセット位置と前記波長との複数の異なる組み合わせからなる光学条件を設定する設定手段と、前記設定手段によって設定される各々の前記光学条件で、前記結像光学系を介して前記第１マークと前記第２マークとの画像を取り込み、該画像から前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を求める計測手段と、前記オフセット位置が同じで前記波長が異なる複数の前記光学条件で前記計測手段が求めた前記重ね合わせずれ量のばらつきを、各々の前記オフセット位置ごとに求め、該ばらつきが最も小さい前記オフセット位置をレシピに登録すべき情報として決定する決定手段とを備えたものである。

また、本発明の重ね合わせ測定装置は、基板の異なる層に形成された互いに所定の位置関係を有する第１マークと第２マークとの像を結像する結像光学系と、前記基板と前記結像光学系との相対位置を調整し、前記第１マークと前記第２マークとに焦点合わせを行う調整手段と、前記焦点合わせの後、前記相対位置のオフセット位置および／または前記結像光学系の像面に入射する光の波長を変化させ、前記オフセット位置と前記波長との複数の異なる組み合わせからなる光学条件を設定する設定手段と、前記設定手段によって設定される各々の前記光学条件で、前記結像光学系を介して前記第１マークと前記第２マークとの画像を取り込み、該画像から前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を求める計測手段と、前記波長が同じで前記オフセット位置が異なる複数の前記光学条件で前記計測手段が求めた前記重ね合わせずれ量のばらつきを、各々の前記波長ごとに求め、該ばらつきが最も小さい前記波長をレシピに登録すべき情報として決定する決定手段とを備えたものである。

さらに、前記決定手段は、前記オフセットが同じで前記波長域が異なる複数の前記光学条件で前記計測手段が求めた前記重ね合わせずれ量のばらつきを、各々の前記オフセットごとに求め、該ばらつきが最も小さい前記オフセットをレシピに登録すべき情報として決定することが好ましい。
また、前記結像光学系の像面に入射する光の波長は、照明系の波長選択フィルタによって選択される波長であることが好ましい。

本発明の重ね合わせ測定装置によれば、ウエハのプロセス条件が変化しても、重ね合わせ測定値を高い信頼性で求めることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０（図１）は、半導体素子や液晶表示素子などの製造工程において、基板１１のレジストパターンの重ね合わせ検査を行う装置である。基板１１は、半導体ウエハや液晶基板などであり、レジスト層に対する露光・現像後で、所定の材料膜に対する加工（エッチング処理）前の状態にある。基板１１には重ね合わせ検査のために多数の測定点が用意され、各測定点には図２に示す重ね合わせマーク１１Ａが形成されている。図２(ａ)は平面図、図２(ｂ)は断面図である。

重ね合わせマーク１１Ａは、Bar in Bar タイプの二重マークであり、レジストパターンの基準位置を示す正方形状のレジストマーク３１と、下地パターンの基準位置を示す正方形状の下地マーク３２とで構成される。レジストマーク３１と下地マーク３２とは、基板１１の異なる層に形成され、互いに大きさが異なる。重ね合わせ検査では、各マークの位置検出や、下地マーク３２とレジストマーク３１との重ね合わせずれ量の測定が行われる。

本実施形態の重ね合わせ測定装置１０には、図１に示す通り、基板１１を支持するステージ１２と、照明光学系(１３〜１９)と、結像光学系(１９〜２５)と、ＣＣＤカメラ２６と、制御部２７と、瞳分割方式の焦点検出部２８とが設けられる。
ステージ１２は、重ね合わせ検査用のレシピに基づいて、基板１１を水平方向に移動させ、基板１１の各測定点の重ね合わせマーク１１Ａ（図２）を順に視野領域内に位置決めする。また、ステージ１２は、同様のレシピや焦点検出部２８からのフォーカス信号に基づいて、基板１１を鉛直方向に移動させ、視野領域内に位置決めされた重ね合わせマーク１１ＡをＣＣＤカメラ２６の撮像面に対して合焦させる。

照明光学系(１３〜１９)は、光源部１３と、開口絞り１４と、コンデンサーレンズ１５と、視野絞り１６と、照明リレーレンズ１７と、ビームスプリッタ１８と、第１対物レンズ１９とで構成される。また、光源部１３は、波長帯域の広い光（例えば白色光）を射出する光源３Ａと、波長切替機構３Ｂと、レンズ３Ｃと、ライトガイドファイバ３Ｄとで構成される。

波長切替機構３Ｂには、透過特性の異なる複数の光学フィルタが設けられる。光学フィルタの透過波長域は、例えば、(１)530nm〜800nm、(２)530nm〜610nm、(３)530nm〜700nm、(４)700nm〜800nm、(５)470nm〜700nm、(６)470nm〜610nm、(７)470nm〜540nm、(８)610nm〜700nm の８種類である。
波長切替機構３Ｂの光学フィルタを切り替えて照明光路に挿入することで、光源３Ａから射出された広帯域波長の光のうち、光学フィルタの透過特性に応じた所定の波長域の光を選択することができる。波長切替機構３Ｂの光学フィルタを透過した後の光（所定の波長域の光）は、レンズ３Ｃとライトガイドファイバ３Ｄとを介して、開口絞り１４に導かれる。

開口絞り１４は、光源部１３から射出された光の径を特定の径に制限する。コンデンサーレンズ１５は、開口絞り１４からの光を集光する。視野絞り１６は、重ね合わせ測定装置１０の視野領域を制限する光学素子である。照明リレーレンズ１７は、視野絞り１６からの光をコリメートする。ビームスプリッタ１８は、照明リレーレンズ１７からの光を下向きに（第１対物レンズ１９に向けて）反射する。

上記の構成において、光源部１３からの光（所定の波長域の光）は、開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５を介して、視野絞り１６を均一に照明する。そして、視野絞り１６を通過した光は、照明リレーレンズ１７を介してビームスプリッタ１８に導かれ、その反射透過面で反射した後、第１対物レンズ１９に導かれる。第１対物レンズ１９は、ビームスプリッタ１８からの反射光を入射して、ステージ１２上の基板１１に集光する。

これにより、ステージ１２上の基板１１のうち、視野領域内に位置決めされた重ね合わせマーク１１Ａ（図２）は、第１対物レンズ１９を透過した所定の波長域の光によって垂直に照明される（落射照明）。そして、基板１１の照明領域から回折光が発生する。回折光には、０次回折光（つまり反射光）や、±１次回折光などが含まれる。基板１１からの回折光は、後述の結像光学系(１９〜２５)に導かれる。

結像光学系(１９〜２５)は、第１対物レンズ１９と、第２対物レンズ２０と、ビームスプリッタ２１と、視野絞り２２と、第１結像リレーレンズ２３と、開口絞り２４と、第２結像リレーレンズ２５とで構成されている。なお、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０との間には、照明光学系(１３〜１９)のビームスプリッタ１８が配置されている。ビームスプリッタ１８,２１は、光の振幅分離を行うハーフプリズムである。

基板１１から発生した回折光は、第１対物レンズ１９でコリメートされ、上記のビームスプリッタ１８を透過して第２対物レンズ２０に入射する。第２対物レンズ２０は、ビームスプリッタ１８からの回折光を集光する。ビームスプリッタ２１は、第２対物レンズ２０からの回折光の一部を透過すると共に、残りの一部を反射する。ビームスプリッタ２１を透過した光は、焦点検出部２８に導かれる。

焦点検出部２８は、ステージ１２上の基板１１のうち視野領域内に位置決めされた重ね合わせマーク１１ＡがＣＣＤカメラ２６の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを検出するものである。焦点検出部２８は、第１リレーレンズ８Ａと瞳分割プリズム８Ｂと第２リレーレンズ８ＣとＡＦセンサ８Ｄとで構成されている。ＡＦセンサ８Ｄはラインセンサであり、その撮像面には複数の画素が１次元配列されている。

焦点検出部２８において、ビームスプリッタ２１からの透過光（以下「ＡＦ光」）は、第１リレーレンズ８Ａによってコリメートされ、瞳分割プリズム８Ｂに入射する。瞳分割プリズム８Ｂ上には、照明光学系(１３〜１９)の照明開口絞り１４の像が形成される。瞳分割プリズム８Ｂに入射したＡＦ光は、そこで２方向の光に振幅分離された後、第２リレーレンズ８Ｃを介してＡＦセンサ８Ｄの撮像面近傍に集光される。

このとき、ＡＦセンサ８Ｄの撮像面には、その画素の配列方向（計測方向に相当）に沿って離れた位置に、視野絞り１６の２つの像が形成される。そして、ＡＦセンサ８Ｄは、撮像面に形成された２つの像の結像中心に関する受光信号に基づいて２つの像の結像中心の距離を算出し、予め記憶している合焦状態での距離との差を求めて、フォーカス信号を制御部２７に出力する。このような瞳分割方式のＡＦ動作の詳細は、例えば特開2002-40322号公報に記載されている。

焦点検出部２８からのフォーカス信号が制御部２７に出力されると、制御部２７では、フォーカス信号に基づいてステージ１２を制御する。そして、基板１１を鉛直方向に移動させて、基板１１と結像光学系(１９〜２５)との相対位置を調整する。これにより、視野領域内の重ね合わせマーク１１Ａの焦点合わせが行われ、重ね合わせマーク１１ＡをＣＣＤカメラ２６の撮像面に対して合焦させることができる。

ただし、上記の焦点合わせによって調整された基板１１の鉛直方向の位置（ＡＦ原点）が重ね合わせ検査に最適とは限らない。したがって、ＡＦ原点と重ね合わせ検査に最適な位置とのオフセット（つまりフォーカスオフセット）が予め計測され、重ね合わせ検査用のレシピに登録されている。そして、制御部１７は、焦点検出部２８からのフォーカス信号に基づく焦点合わせの後にレシピを参照し、フォーカスオフセット分だけステージ１２を移動させて、重ね合わせ検査に最適な状態とする。

一方、ビームスプリッタ２１で反射した光は、結像光学系(１９〜２５)の視野絞り２２に集光され、第１結像リレーレンズ２３に導かれる。第１結像リレーレンズ２３は、視野絞り２２からの光をコリメートする。開口絞り２４は、第１対物レンズ１９の仮想瞳面と共役な面に配置され、第１結像リレーレンズ２３からの光の径を特定の径に制限する。第２結像リレーレンズ２５は、開口絞り２４からの光をＣＣＤカメラ２６の撮像面に再結像する。

上記の結像光学系(１９〜２５)では、視野領域内に基板１１の重ね合わせマーク１１Ａ（図２）が位置決めされているとき、そのマークの光学像をＣＣＤカメラ２６の撮像面に形成する。
ＣＣＤカメラ２６は、その撮像面が結像光学系(１９〜２５)の像面と一致するように配置される。ＣＣＤカメラ２６は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａの光学像を撮像して、画像信号を制御部２７に出力する。画像信号は、ＣＣＤカメラ２６の撮像面における光学像の各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。

制御部２７は、重ね合わせ検査の際に、照明光学系(１３〜１９)の光源部１３の波長切替機構３Ｂを制御して、基板１１への落斜照明光の波長域を設定した後で、ＣＣＤカメラ２６からの画像信号に基づいて、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａの画像を取り込み、その画像に対して重ね合わせ検査用の画像処理を施す。制御部２７による落斜照明光の波長域の設定は、例えばレシピに基づいて行われる。

制御部２７による重ね合わせ検査用の画像処理では、重ね合わせマーク１１Ａを構成するレジストマーク３１および下地マーク３２の各々の位置検出が行われ、レジストマーク３１と下地マーク３２との重ね合わせずれ量が算出される。この重ね合わせずれ量は、各マークの重心位置の相対的なずれ量であり、基板１１上の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせずれ量を表している。この重ね合わせずれ量は「重ね合わせ測定値」とも呼ばれる。重ね合わせずれ量の算出時には、ＷＩＳ（Wafer Induced Shift）と呼ばれる基板起因の測定誤差の補正を行い、エッチング処理後の実際の重ね合わせずれ量に近い値を得ることが好ましい。

また、各マークの重心位置を検出する際には、まず、重ね合わせマーク１１Ａの画像における信号強度を計測方向に垂直な方向に積分して、図２(ｃ)に示すような信号強度のプロファイルを抽出する。そして、レジストマーク３１に対応するエッジ波形３１Ｌ,３１Ｒとその自己反転波形との重ね合わせ相関を求め、相関値が最大になる位置をレジストマーク３１の重心位置とする。下地マーク３２に対応するエッジ波形３２Ｌ,３２Ｒについても同様の演算処理が行われる。

次に、上記のような重ね合わせ検査の際に用いられるレシピの説明を行う。このレシピには様々な情報（測定アルゴリズムなど）が登録され、光学的パラメータとしてはフォーカスオフセットと照明波長が登録されている。制御部１７は、レシピのフォーカスオフセットに基づいてステージ１２を制御し、基板１１の鉛直方向の位置を最適化する。また、制御部１７は、レシピの照明波長に基づいて照明光学系(１３〜１９)の光源部１３の波長切替機構３Ｂを制御し、基板１１への落斜照明光の波長域を最適化する。

レシピに登録すべき最適な光学的パラメータ（フォーカスオフセットや照明波長）の決定は、重ね合わせ測定装置１０に基板１１をロードして、グローバルアライメントマークの登録や測定点の相対位置座標の指定を行った後、図３のフローチャートの手順にしたがって行われる。
重ね合わせ測定装置１０の制御部１７は、まず（ステップＳ１）、ステージ１２を制御して、視野領域内に基板１１の１つの重ね合わせマーク１１Ａを位置決めする。次に（ステップＳ２）、焦点検出部２８からのフォーカス信号に基づいてステージ１２を制御し、重ね合わせマーク１１Ａの焦点合わせを行い、ＡＦ原点に位置決めする。また、重ね合わせマーク１１Ａの測定枠の指示を行う。

次に（ステップＳ３）、制御部１７は波長切替機構３Ｂを制御し、上記の光学フィルタ(１)〜(８)のうち任意の１つを照明光路に挿入して、基板１１への落斜照明光の波長域を“λ１”に設定する。このとき、結像光学系(１９〜２５)の像面（ＣＣＤカメラ２６の撮像面）に入射する光の波長域も同じ“λ１”に設定される。波長域λ１は、例えば上記の光学フィルタ(３)を照明光路に挿入した場合、その透過波長域に対応して530nm〜700nmとなる。

次に（ステップＳ４）、制御部１７はステージ１２を制御して、基板１１の鉛直方向の位置をＡＦ原点からオフセットさせ、このときのフォーカスオフセットＦ１と上記の照明波長λ１との組み合わせからなる光学条件の設定を行う。なお、ステップＳ４における基板１１のオフセット動作には「フォーカスオフセット＝０」の場合も含まれる。
そして次に（ステップＳ５）、上記の光学条件（フォーカスオフセットＦ１と照明波長λ１）とで重ね合わせマーク１１Ａの画像を取り込み、この画像における信号強度のプロファイルを用いて、上記した重ね合わせ相関の演算を行い、レジストマーク３１と下地マーク３２との重ね合わせずれ量Δ₁₁を求める。

さらに、上記のステップＳ４に戻って基板１１のオフセットを変化させ、フォーカスオフセットＦ２とした後、この光学条件（フォーカスオフセットＦ２と照明波長λ１）で重ね合わせマーク１１Ａの画像を取り込み、レジストマーク３１と下地マーク３２との重ね合わせずれ量Δ₂₁を求める。このステップＳ４,Ｓ５の処理は、予め定めた複数のフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎについて順に行われる。

その後、照明波長λ１とフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎとの組み合わせからなるｎ通りの光学条件の各々で重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_1nの計測を終えると（ステップＳ６がＹｅｓ）、制御部１７は、上記のステップＳ３に戻って落斜照明光の波長域を変化させ、照明波長λ２とした後、再びステップＳ４,Ｓ５の処理を繰り返す。このステップＳ３〜Ｓ５の処理は、予め定めた複数の照明波長λ１〜λｍについて順に行われる。

このとき、照明波長λ２とフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎとの組み合わせからなるｎ通りの光学条件の各々で重ね合わせずれ量Δ₂₁〜Δ_2nの計測が行われる。そして、照明波長λ２での計測を終えると、再びステップＳ３に戻って落斜照明光の波長域を変化させ、ステップＳ４,Ｓ５の処理を繰り返す。
このようにして、照明波長λ１〜λｍとフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎとの組み合わせからなるｍ×ｎ通りの光学条件の各々で重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mnの計測を終えると（ステップＳ７がＹｅｓ）、制御部１７は、次のステップＳ８の処理に進む。この時点で、制御部１７のメモリには、図４(ａ)に示す通り、照明波長λ１〜λｍとフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎとの組み合わせからなる光学条件に関連づけて、重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mnが記憶されている。

ステップＳ８では、図４(ａ)の点線枠４１のように、照明波長が同じでフォーカスオフセットが異なる複数の光学条件で計測された重ね合わせずれ量（例えば照明波長λ２に対応する重ね合わせずれ量Δ₂₁,Δ₂₂,…,Δ_2n）を選択して、各々の照明波長λ１〜λｎごとに、重ね合わせずれ量のばらつきＤλ₁〜Ｄλ_m（図４(ｂ)）を求める。ばらつきＤλ₁〜Ｄλ_mとしては、重ね合わせずれ量の変動に関わる指標（例えば最大値と最小値との差や標準偏差など）を求めればよい。そして次のステップＳ９において、ばらつきＤλ₁〜Ｄλ_mのうち最も小さいもの（例えばＤλ₂）を選択し、これに対応する照明波長（例えばλ２）を、レシピに登録すべき最適な波長情報として決定する。

さらに、ステップＳ１０では、図４(ａ)の点線枠４２のように、フォーカスオフセットが同じで照明波長が異なる複数の光学条件で計測された重ね合わせずれ量（例えばフォーカスオフセットＦ２に対応する重ね合わせずれ量Δ₁₂,Δ₂₂,…,Δ_m2）を選択して、各々のフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎごとに、重ね合わせずれ量のばらつきＤ_F1〜Ｄ_Fn（図４(ｃ)）を求める。そして次のステップＳ１１で、ばらつきＤ_F1〜Ｄ_Fnのうち最も小さいもの（例えばＤ_F2）を選択し、これに対応するフォーカスオフセット（例えばＦ２）を、レシピに登録すべき最適なオフセット情報として決定する。

ここで、フォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎの変化に対して重ね合わせずれ量の変化が小さい照明波長(例えばλ２)ほど信頼性の高い（最も確からしい）重ね合わせずれ量を求めることができ、照明波長λ１〜λｎの変化に対して重ね合わせずれ量の変化が小さいフォーカスオフセット(例えばＦ２)ほど信頼性の高い重ね合わせずれ量を求めることができ、レシピに登録すべき最適な情報となる理由を、以下に説明する。

重ね合わせずれ量を求めるために各マークの重心位置を検出する際には、上記の通り、図２(ｃ)のような信号強度のプロファイルから各マークのエッジ波形（例えばエッジ波形３１Ｌ,３１Ｒ）を抽出し、自己反転波形との重ね合わせ相関の演算が行われる。このため、プロファイルのエッジ波形としては、図２(ｃ)のように左右対称な形状が好ましい。これは、図２(ｂ)の下地マーク３２のように理想的な断面形状のときである。

しかし、下地マーク３２の実際の断面形状は、製造工程の変動に起因して、図５(ａ)のようにエッジの高さ（段差）が左右で不均一となったり、図６(ａ)のようにエッジの傾きが左右で不均一となったりすることがある。このような場合には、下地マーク３２のエッジ形状の左右不均一の影響を受け、例えば図５(ｂ),図６(ｂ)に示す通り、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒが歪み、左右非対称になってしまう。また、この歪みも、重ね合わせマーク１１Ａの基板１１上での位置座標や基板１１のロットごとに一定せず、様々に変化する。

一方、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒのコントラストは、照明波長で規格化して議論できる。エッジの高さが空気媒質中換算で照明波長の１/４倍,３/４倍,５/４倍,…のときには、エッジの上側での反射光Ｌ１と下側での反射光Ｌ２（図７）が反対位相となるため、両者が混じり合うエッジ近傍において最も大きい消光比を得ることができ、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒにはコントラストの大きなピーク構造が現れる。

エッジの高さが空気媒質中換算で照明波長の１/２倍,１倍,３/２倍,…のときには、エッジの上側での反射光Ｌ１と下側での反射光Ｌ２（図７）が同位相となるため、両者が混じり合うエッジ近傍における消光比は最も小さくなり、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒにはコントラストの小さなピーク構造が現れる。
このように、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒに現れるピーク構造のコントラストは、下地マーク３２のエッジの高さと照明波長との関係に依存して変化する。したがって、図５(ａ)のように下地マーク３２のエッジの高さが左右で不均一となっている場合には、左右のエッジごとに、ピーク構造のコントラストの照明波長による変化が異なり、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒの対称性が照明波長に依存して変化することになる。

また、下地マーク３２の観察は複数の透明膜（図２(ｂ)の被加工膜）を介して行われ、エッジの上側での反射光Ｌ１と透明膜界面での反射光Ｌ３（図６）とが干渉し、エッジの下側での反射光Ｌ２と上記の反射光Ｌ３とが干渉する。このため、反射光Ｌ３との干渉を考慮した反射率は、エッジの上側と下側とで異なると考えられる。そして、この反射率の相違も照明波長に依存して変化する。

コントラストの小さい波形ほど外乱に弱くなるという推測に基づけば、エッジの上側での反射光Ｌ１と下側での反射光Ｌ２とが反対位相のとき、反射光Ｌ１,Ｌ２の強度比が１対１に近づくほど干渉の効果は強くなり、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒの対称性が照明波長に依存して変化する程度（歪みの程度）は小さくなると推測される。また、反射光Ｌ１,Ｌ２が同位相のときには、反射光Ｌ１,Ｌ２の強度比が１対１に近づくほど干渉の効果は弱くなり、エッジ波形３２Ｌ,３２Ｒの対称性が照明波長に依存して変化する程度（歪みの程度）は大きくなると推測される。

さらに、重ね合わせマーク１１Ａのプロファイルは、基板１１と結像光学系(１９〜２５)との相対位置（つまりフォーカスオフセット）にも依存して変化する。これは、結像光学系(１９〜２５)の焦点位置にある物体の結像がコントラスト最大になるためである。重ね合わせマーク１１Ａの中でも部位によって結像光学系(１９〜２５)の焦点との位置関係が異なり、結像光学系(１９〜２５)が強調する部分が異なる。したがって、マークが非理想的であるほど、フォーカスオフセットによる重ね合わせずれ量のばらつきは大きくなると推測される。

以上のことから、信頼性の高い（最も確からしい）重ね合わせずれ量を求めるためには、フォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎの変化に対して重ね合わせずれ量の変化が小さい照明波長(例えばλ２)を選択し、また、照明波長λ１〜λｎの変化に対して重ね合わせずれ量の変化が小さいフォーカスオフセット(例えばＦ２)を選択すればよいことが分かる。
したがって、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、図３のステップＳ９においてばらつきＤλ₁〜Ｄλ_m（図４(ｂ)）のうち最も小さいもの（例えばＤλ₂）を選択し、これに対応する照明波長（例えばλ２）を、レシピに登録すべき最適な波長情報として決定する。また、ステップＳ１１では、ばらつきＤ_F1〜Ｄ_Fn（図４(ｃ)）のうち最も小さいもの（例えばＤ_F2）を選択し、これに対応するフォーカスオフセット（例えばＦ２）を、レシピに登録すべき最適なオフセット情報として決定する。そして図３の処理を終了する。

このように、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、視野領域内に１つの重ね合わせマーク１１Ａを位置決めした状態で、フォーカスオフセットおよび／または照明波長を変化させ、１つの重ね合わせマーク１１Ａに対してｍ×ｎ通りの光学条件の各々で重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mn（図４(ａ)）を計測するため、従来の多点計測を繰り返す方法と比較して遙かに短い時間で簡単に、レシピに登録すべき最適な光学的パラメータ（フォーカスオフセットや照明波長）を決定することができる。

そして、決定した光学パラメータ（フォーカスオフセットや照明波長）をレシピに登録することにより、短時間でレシピの最適化を行うことができる。このため、多品種の製品が流れるラインにおいて、各製品のプロセスごとに最適な光学的パラメータを決定することも可能となる。
プロセスごとに決定された最適な光学パラメータをレシピに登録し、重ね合わせ検査の際に参照することで、常に、信頼性の高い（最も確からしい）重ね合わせずれ量を得ることができる。すなわち、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、ウエハのプロセス条件が変化しても、重ね合わせ測定値を高い信頼性で求めることができる。

また、重ね合わせ検査の際に基板１１の多数の測定点で求めた重ね合わせずれ量から、露光装置の補正用データ（オフセット成分,スケーリング成分など）として信頼線の高いデータを生成することができ、これを露光装置にフィードバックすることにより製造工程における歩留まり向上に寄与する。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、照明波長λ１〜λｍとフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎとの組み合わせからなるｍ×ｎ通りの光学条件を順に設定する際、１つの照明波長に対してフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎを変化させた後、照明波長を変えて再びフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎを変化させ、同様の処理を繰り返すようにした（図３のステップＳ３〜７）が、本発明はこれに限定されない。１つのフォーカスオフセットに対して照明波長λ１〜λｍを変化させた後、フォーカスオフセットを変えて再び照明波長λ１〜λｍを変化させ、同様の処理を繰り返すようにしてもよい。この場合でも、図４(ａ)と同様、照明波長λ１〜λｍとフォーカスオフセットＦ１〜Ｆｎとの組み合わせからなる光学条件に関連づけて、重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mnを得ることができる。

さらに、上記した実施形態では、図４(ａ)に示す重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mnから、最適な照明波長と最適なフォーカスオフセットとを相互に決定する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。同様の重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mnから、最適な照明波長のみを決定する場合にも、最適なフォーカスオフセットのみを決定する場合にも、本発明を適用できる。

また、上記した実施形態では、照明光学系(１３〜１９)の光源部１３に波長切替機構３Ｂを設けたが、本発明はこれに限定されない。同様の波長切替機構を開口絞り１４とビームスプリッタ１８との間に配置してもよい。さらに、落斜照明光を白色光とし、結像側に波長選択フィルタを配置することも考えられる。この場合でも上記と同様の手順で重ね合わせずれ量の測定を繰り返せばよい。

本実施形態の重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。 重ね合わせマーク１１Ａの構成(ａ),(ｂ)と、エッジ波形３１Ｌ,３１Ｒ,３２Ｌ,３２Ｒの形状(ｃ)とを説明する図である。 重ね合わせ測定装置１０における最適な光学パラメータの決定手順を示すフローチャートである。 最適な光学パラメータを決定する際に、ｍ×ｎ通りの光学条件で計測された重ね合わせずれ量Δ₁₁〜Δ_mnを説明する図である。 下地マーク３２のエッジが左右不均一となった場合の構成(ｂ)と、エッジ波形３１Ｌ,３１Ｒ,３２Ｌ,３２Ｒの形状(ｃ)とを説明する図である。 下地マーク３２のエッジが左右不均一となった場合の構成(ｂ)と、エッジ波形３１Ｌ,３１Ｒ,３２Ｌ,３２Ｒの形状(ｃ)とを説明する図である。 下地マーク３２のエッジの上側や下側での反射光Ｌ１,Ｌ２などを説明する図である。

符号の説明

１０ 重ね合わせ測定装置
１１ 基板
１２ ステージ
１３〜１９ 照明光学系
３Ｂ 波長切替機構
１９〜２５ 結像光学系
２６ ＣＣＤカメラ
２７ 制御部
２８ 焦点検出部
３１ レジストマーク
３２ 下地マーク

Claims (4)

1. 基板の異なる層に形成された互いに所定の位置関係を有する第１マークと第２マークとの像を結像する結像光学系と、
   前記基板と前記結像光学系との相対位置を調整し、前記第１マークと前記第２マークとに焦点合わせを行う調整手段と、
   前記焦点合わせの後、前記相対位置のオフセット位置および／または前記結像光学系の像面に入射する光の波長を変化させ、前記オフセット位置と前記波長との複数の異なる組み合わせからなる光学条件を設定する設定手段と、
   前記設定手段によって設定される各々の前記光学条件で、前記結像光学系を介して前記第１マークと前記第２マークとの画像を取り込み、該画像から前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を求める計測手段と、
   前記オフセット位置が同じで前記波長が異なる複数の前記光学条件で前記計測手段が求めた前記重ね合わせずれ量のばらつきを、各々の前記オフセット位置ごとに求め、該ばらつきが最も小さい前記オフセット位置をレシピに登録すべき情報として決定する決定手段とを備えた
   ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
2. 基板の異なる層に形成された互いに所定の位置関係を有する第１マークと第２マークとの像を結像する結像光学系と、
   前記基板と前記結像光学系との相対位置を調整し、前記第１マークと前記第２マークとに焦点合わせを行う調整手段と、
   前記焦点合わせの後、前記相対位置のオフセット位置および／または前記結像光学系の像面に入射する光の波長を変化させ、前記オフセット位置と前記波長との複数の異なる組み合わせからなる光学条件を設定する設定手段と、
   前記設定手段によって設定される各々の前記光学条件で、前記結像光学系を介して前記第１マークと前記第２マークとの画像を取り込み、該画像から前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を求める計測手段と、
   前記波長が同じで前記オフセット位置が異なる複数の前記光学条件で前記計測手段が求めた前記重ね合わせずれ量のばらつきを、各々の前記波長ごとに求め、該ばらつきが最も小さい前記波長をレシピに登録すべき情報として決定する決定手段とを備えた
   ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
3. 請求項２に記載の重ね合わせ測定装置において、
   前記決定手段は、前記オフセットが同じで前記波長域が異なる複数の前記光学条件で前記計測手段が求めた前記重ね合わせずれ量のばらつきを、各々の前記オフセットごとに求め、該ばらつきが最も小さい前記オフセットをレシピに登録すべき情報として決定する
   ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
4. 請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、
   前記結像光学系の像面に入射する光の波長は、照明系の波長選択フィルタによって選択される波長である
   ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
   

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