JP2007250578A

JP2007250578A - 重ね合わせ測定装置

Info

Publication number: JP2007250578A
Application number: JP2006067861A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Endo; 剛遠藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-13
Also published as: JP4957027B2

Abstract

【課題】プロジェクション処理（信号ノイズの低減）を行う場合でも、画像から選択した直線部の傾きやコントラストの不均一に影響されず、正確に重ね合わせずれ量を求める。
【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マークの画像を取り込む手段２６と、第１マークの第１直線部から生成した第１信号波形と、第２マークの第２直線部から生成した第２信号波形とを用いて、第１マークと第２マークとの重ね合わせずれ量を求める手段２７とを備える。そして、少なくとも一方の信号波形を生成する際に、直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該直線部を測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を測定方向と垂直な方向に積算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の各層の重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置に関する。

半導体素子や液晶表示素子などの製造工程では、基板の各層の重ね合わせ状態の測定が行われている。各層の重ね合わせ状態は素子の歩留まりや完成デバイスの性能を左右する重要なパラメータであり、各層の重ね合わせ状態を測定する装置は重要な製造装置として認識されている。
重ね合わせ測定装置では、例えば、基板の下地層とレジスト層に形成された各マークの画像をカメラなどの撮像手段によって取り込み、この画像を処理して各マークの重ね合わせずれ量を求めている（例えば特許文献１を参照）。

画像を処理する際には、画像上の座標軸に応じて重ね合わせずれ量の測定方向を設定した後、画像に現れた各マークの直線部から、測定方向と垂直な非測定方向に延びる直線部を選択し、この直線部の測定方向の明暗変化を非測定方向に積算して（プロジェクション処理）、信号ノイズを低減させることが一般的である。そして、プロジェクション処理によって得られた各マークの信号波形を用いて重ね合わせずれ量が求められる。
特開２００４−１０８９５７号公報

しかし、上記の装置では、プロジェクション処理に起因して次のような問題があった。つまり、画像を処理する際に選択した直線部が測定方向に対して垂直でない（僅かに傾いた）ときに、選択した直線部の中で測定方向の明暗変化のコントラストが一定でないと、プロジェクション処理によって得られる信号波形は左右非対称になり、重ね合わせずれ量に誤差が発生することがあった。なお、上記した直線部の傾きは、画像の回転誤差に対応し、撮像手段の取り付け誤差などに起因する。また、直線部のコントラストの不均一は、基板上におけるマークの反射率の不均一などに起因する。

本発明の目的は、プロジェクション処理による信号ノイズの低減を行う場合でも、画像から選択した直線部の傾きやコントラストの不均一に影響されず、正確に重ね合わせずれ量を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第１マークと第２マークの画像を取り込む取込手段と、前記画像に現れた前記第１マークの直線部のうち、予め定めた測定方向と交差する第１直線部に基づいて、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第１信号波形として生成する第１処理手段と、前記画像に現れた前記第２マークの直線部のうち、前記測定方向と交差する第２直線部に基づいて、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第２信号波形として生成する第２処理手段と、前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの前記測定方向における重ね合わせずれ量を求める第３処理手段とを備え、前記第１処理手段は、前記第１直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化を前記測定方向と垂直な方向に積算することで、前記第１信号波形を生成し、前記第２処理手段は、前記第２直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を前記垂直な方向に積算することで、前記第２信号波形を生成するものである。

本発明の他の重ね合わせ測定装置は、基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む取込手段と、前記画像に現れた前記第１マークの直線部のうち、予め定めた測定方向と交差する第１直線部に基づいて、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第１信号波形として生成する第１処理手段と、前記画像に現れた前記第２マークの直線部のうち、前記測定方向と交差する第２直線部に基づいて、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第２信号波形として生成する第２処理手段と、前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの前記測定方向における重ね合わせずれ量を求める第３処理手段とを備え、前記第１処理手段は、前記第１直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を前記測定方向と垂直な方向に積算することで、前記第１信号波形を生成し、前記第２処理手段は、前記第２直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を前記垂直な方向に積算することで、前記第２信号波形を生成するものである。

本発明のさらに他の重ね合わせ測定装置は、基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む取込手段と、前記画像に現れた前記第１マークの直線部のうち、予め定めた測定方向と交差する第１直線部に基づいて、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第１信号波形として生成する第１処理手段と、前記画像に現れた前記第２マークの直線部のうち、前記測定方向と交差する第２直線部に基づいて、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第２信号波形として生成する第２処理手段と、前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの前記測定方向における重ね合わせずれ量を求める第３処理手段とを備え、前記第１処理手段は、前記第１直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化を前記測定方向と垂直な方向に積算することで、前記第１信号波形を生成し、前記第２処理手段は、前記第２直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化を前記垂直な方向に積算することで、前記第２信号波形を生成し、前記第３処理手段は、前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて前記重ね合わせずれ量を求めた後、前記第１直線部から抽出された各々の明暗変化のコントラストと前記第２直線部から抽出された各々の明暗変化のコントラストとに基づいて、前記重ね合わせずれ量を補正するものである。

本発明の重ね合わせ測定装置によれば、プロジェクション処理による信号ノイズの低減を行う場合でも、画像から選択した直線部の傾きやコントラストの不均一に影響されず、正確に重ね合わせずれ量を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。
（第１実施形態）
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の各層の重ね合わせ状態を測定する装置である。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、二重マークであり、レジスト層の基準位置を示す正方形状のレジストマーク３１と、下地層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。重ね合わせ状態の測定（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算出が行われる。

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(１８〜２５)と、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。瞳分割方式の焦点検出部２８の詳細は例えば特開２００２−４０３２２号公報に記載されているため、ここでの説明を省略する。

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（例えば視野中心）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、基板１１の中で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(１８〜２５)に導かれる。

結像光学系(１８〜２５)は、上記のビームスプリッタ１８および第１対物レンズ１９の他、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、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。

ビームスプリッタ２１で反射した光は、結像光学系(１８〜２５)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からの光をカメラ２６の撮像面に再結像する。

上記の結像光学系(１８〜２５)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カメラ２６の撮像面に形成する。
カメラ２６は、その撮像面が結像光学系(１８〜２５)の像面と一致するように配置される。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（例えばＣＣＤセンサ）を備え、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、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、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（２次元画像）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。つまり、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を算出する。

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上の下地層に対するレジスト層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の後には、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。

次に、重ね合わせマーク１１Ａの画像（以下「検査用の画像」）を処理する手順の具体例などを説明する。
検査用の画像には、例えば図３(ａ)に示す通り、背景と比較して低輝度の直線部４１〜４８が現れる。これらの直線部４１〜４８の各々は重ね合わせマーク１１Ａ（図２(ａ)）の各エッジ部に対応する。検査用の画像の中で、レジストマーク３１の直線部４１〜４４と下地マーク３２の直線部４５〜４８とは、互いに異なる位置に現れる。

そして、検査用の画像（図３(ａ)）に対する処理は、画像上の座標軸（ｘ軸,ｙ軸）ごとに行われる。つまり、画像を処理する際には、画像上の座標軸（ｘ軸,ｙ軸）に応じて重ね合わせずれ量の測定方向が設定され、この測定方向にしたがって処理が行われる。なお、座標軸（ｘ軸,ｙ軸）のうち、ｘ軸の方向は、例えば走査線の方向に対応する。ｙ軸の方向は、例えば走査線に垂直な方向に対応する。

そして、ｘ軸の方向を測定方向とする場合には、図３(ｂ)に示すｘ軸用の測定枠５１〜５４の各々によって、直線部４２,４４,４６,４８の信号処理範囲をそれぞれ指定し、信号処理範囲に含まれる各画素の輝度値を用いて例えば周知の相関演算などを行う。さらに、ｙ軸の方向を測定方向とする場合には、図３(ｃ)に示すｙ軸用の測定枠５４〜５８の各々によって、直線部４１,４３,４５,４７の信号処理範囲をそれぞれ指定し、信号処理範囲で同様の相関演算などを行う。以下、ｘ軸方向を測定方向とする場合について説明する。

ｘ軸方向の測定では、検査用の画像（図３(ａ)）に現れたレジストマーク３１の直線部４１〜４４のうち、予め定めた測定方向（ｘ軸方向）と垂直な非測定方向（ｙ軸方向）に延びる直線部４２,４４を選択して、この直線部４２,４４に測定枠５１,５２（図３(ｂ)）を設定する。次に、測定枠５１,５２の中で、直線部４２,４４を測定方向に横切ったときの明暗変化を非測定方向に積算し（プロジェクション処理）、図４(ａ)に示すようなレジストマーク３１の信号波形３１Ｌ,３１Ｒを生成する。

また同様に、検査用の画像（図３(ａ)）に現れた下地マーク３２の直線部４５〜４８のうち、非測定方向（ｙ軸方向）に延びる直線部４６,４８を選択し、この直線部４６,４８に測定枠５３,５４（図３(ｂ)）を設定する。次に、測定枠５３,５４の中で、直線部４６,４８の測定方向の明暗変化を非測定方向に積算し（プロジェクション処理）、図４(ｂ)に示すような下地マーク３２の信号波形３２Ｌ,３２Ｒを生成する。

その後、レジストマーク３１の信号波形３１Ｌ,３１Ｒ（図４(ａ)）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ｘ軸方向の重心位置Ｃ₁とする。下地マーク３２の信号波形３２Ｌ,３２Ｒ（図４(ｂ)）に対する演算処理も同様に行われ、その結果、下地マーク３２のｘ軸方向の重心位置Ｃ₂が検出される。そして、位置検出の結果を用いて、レジストマーク３１と下地マーク３２との測定方向における重ね合わせずれ量Ｌが算出される。

このような処理は、図３(ａ)に示す検査用の画像のように、そこに現れた直線部４１〜４８が画像上の座標軸（ｘ軸,ｙ軸）に対して水平または垂直なときに有効であり、正確に重ね合わせずれ量Ｌを求めることができる。しかし、図３(ａ)のような画像が得られるのは、カメラ２６の取り付け誤差がなく、基板１１に対してカメラ２６が傾いていない理想的な場合である。

ところが、実際の装置では、カメラ２６の取り付け誤差がゼロにはならないため、基板１１に対してカメラ２６が傾いてしまう。カメラ２６の傾きとは、カメラ２６の光軸（すなわち結像光学系(１８〜２５)の光軸）を中心とした回転方向の傾きである。
そして、このような傾きの影響で、検査用の画像には、図５(ａ)に示すような回転誤差δθが発生し、座標軸（ｘ軸,ｙ軸）に対して直線部４１〜４８が傾くことになる。なお、回転誤差δθは、基板１１に対するカメラ２６の傾き角と等しく、例えば数分程度である。図５(ａ)では分かりやすくするために回転誤差δθを実際より大きく図示した。

検査用の画像の回転誤差δθ（図５(ａ)）は、重ね合わせ測定装置１０の機差（つまり装置の調整誤差に起因する測定誤差）の要因の１つである。重ね合わせ測定装置１０は、機差要因をできるだけ排除しようと開発が進められているが、上記の回転誤差δθの低減には限界がある。
そこで、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、検査用の画像に図５(ａ)のような回転誤差δθが発生し、直線部４１〜４８が座標軸（ｘ軸,ｙ軸）に対して傾くような場合でも、その影響を受けずに測定を行い、画像の回転誤差δθによる測定誤差（重ね合わせずれ量Ｌの誤差）を低減できるようにする。

ただし、画像の回転誤差δθによる測定誤差の大きさは、基板１１における重ね合わせマーク１１Ａの反射率の不均一などに依存する。傾向としては、重ね合わせマーク１１Ａの反射率の不均一が小さく、図５(ｂ)に示す測定枠５１〜５４（図３(ｂ)と同様）の中で、直線部４２,４４,４６,４８の測定方向の明暗変化のコントラスト差が小さければ、回転誤差δθによる測定誤差も小さく抑えられる。

この様子を図示して説明すると、測定枠５３,５４の中の直線部４６,４８の測定方向の明暗変化は、図５(ｃ)に示す非測定方向の位置ｙ₁〜ｙ₃ごとに、例えば図６に示すようになる。ここでは位置ｙ₂を測定枠５３,５４の中心とする。図６において、各位置ｙ₁〜ｙ₃の明暗変化は、直線部４６,４８の傾き（回転誤差δθ）を反映して測定方向にシフトしている（位置ｘ₁〜ｘ₃）が、そのコントラストＣ_O(ｙ₁)〜Ｃ_O(ｙ₃)は殆ど差がない。

このような場合、上記のプロジェクション処理によって測定方向の明暗変化（図６）を非測定方向に積算して信号波形（図４(ｂ)の信号波形３２Ｌ,３２Ｒ参照）を生成すると、得られた信号波形から相関演算などにより求めた重心位置Ｃ₂は、測定枠５３,５４の中心（位置ｙ₂）における明暗変化を仮の信号波形として同様に求めた重心位置Ｃ₂(ｙ₂)に一致することになる。

また、測定枠５１,５２の中の直線部４２,４４についても同様であり、図７に示すように、各位置ｙ₄,ｙ₂,ｙ₅の測定方向の明暗変化が直線部４２,４４の傾き（回転誤差δθ）を反映して測定方向にシフトし(位置ｘ₄〜ｘ₆)、コントラストＣ_i(ｙ₄),Ｃ_i(ｙ₂),Ｃ_i(ｙ₅)に殆ど差がない場合は、プロジェクション処理による積算後の信号波形（図４(ａ)の信号波形３１Ｌ,３１Ｒ参照）から求めた重心位置Ｃ₁と、測定枠５１,５２の中心(位置ｙ₂)における明暗変化を仮の信号波形として求めた重心位置Ｃ₁(ｙ₂)とが一致する。

したがって、重ね合わせマーク１１Ａの反射率の不均一が小さく、測定枠５１〜５４の中で、直線部４２,４４,４６,４８の測定方向の明暗変化のコントラスト差が小さければ、プロジェクション処理による積算後の信号波形（図４(ａ),(ｂ)）を用いて相関演算などを行うことにより、正確に重ね合わせずれ量Ｌを求めることができる。すなわち、検査用の画像の回転誤差δθによる測定誤差が小さく抑えられる。

これに対し、基板１１における重ね合わせマーク１１Ａの反射率の不均一が大きく、測定枠５１〜５４（図５(ｂ)）の中で、直線部４２,４４および／または直線部４６,４８の測定方向の明暗変化のコントラスト差が大きければ、このコントラスト差を反映して回転誤差δθによる測定誤差も大きくなる。
例えば、測定枠５１,５２の中で直線部４２,４４の測定方向の明暗変化は図７と同様にコントラスト差が非常に小さく、測定枠５３,５４の中で直線部４６,４８の測定方向の明暗変化においてコントラスト差が大きい場合を考える。

この場合、測定枠５３,５４の中の直線部４６,４８の測定方向の明暗変化は、図５(ｃ)に示す非測定方向の位置ｙ₁〜ｙ₃ごとに、例えば図８に示すようになる。図８において、各位置ｙ₁〜ｙ₃の明暗変化は、直線部４６,４８の傾き（回転誤差δθ）を反映して測定方向にシフトし（位置ｘ₁〜ｘ₃）、そのコントラストＣ_O(ｙ₁)〜Ｃ_O(ｙ₃)は大きく異なっている。

このような明暗変化（図８）をそのまま非測定方向に積算し（プロジェクション処理）、信号波形（図４(ｂ)の信号波形３２Ｌ,３２Ｒと同様）を生成すると、得られた信号波形は左右非対称になり、この信号波形から相関演算などによって求めた重心位置Ｃ₂は、測定枠５３,５４の中心（位置ｙ₂）における明暗変化を仮の信号波形として同様に求めた重心位置Ｃ₂(ｙ₂)とは一致しなくなる。

つまり、プロジェクション処理による積算後の信号波形から求めた重心位置Ｃ₂は、測定枠５３,５４の中心（位置ｙ₂）から外れた位置（例えば位置ｙ₃）における明暗変化を仮の信号波形として同様に求めた重心位置Ｃ₂(ｙ₃)に一致することになる。
したがって、上記のように、測定枠５１,５２の中で直線部４２,４４の測定方向の明暗変化のコントラスト差は小さい（図７）とすれば、図８における測定枠５３,５４の中心（位置ｙ₂）における明暗変化を仮の信号波形として求めた重心位置Ｃ₂(ｙ₂)と、測定枠５３,５４の中心（位置ｙ₂）から外れた位置（例えば位置ｙ₃）における明暗変化を仮の信号波形として求めた重心位置Ｃ₂(ｙ₃)との差δｘ（＝Ｃ₂(ｙ₃)−Ｃ₂(ｙ₂)）が、重ね合わせずれ量Ｌの誤差（以下「測定誤差δｘ」）となる。

なお、検査用の画像（図５(ａ)）において直線部４１〜４８が高コントラストであれば、測定枠５１〜５８の中でのコントラスト差が相対的に小さくなり、測定誤差δｘは小さくなる。逆に、直線部４１〜４８が低コントラストであれば、上記のコントラスト差が相対的に大きくなり、測定誤差δｘも大きくなってしまう。このように、各マークの直線部におけるコントラストの表れ方の違いによって不確定性のある誤差要因となりうる。

ここで、ITRS2004年版（International Technology Roadmap for Semiconductors 2004 Edition)は、2007年量産開始と目されるハーフピッチ65nmに対する総合測定精度（ＴＭＵ）として2.3nmを要求している。この場合、総合測定精度（ＴＭＵ）は次式(１)のように定義され、重ね合わせ測定装置１０に求められる機差は１nm以下である。

本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、上記のような測定誤差δｘを低減して正確に（つまり機差１nm以下で）重ね合わせずれ量Ｌを求めるために、次のような手順で検査用の画像（図５(ａ)）を処理する。ここでも、ｘ軸方向を測定方向とする例で説明する。

また、検査用の画像（図５(ａ)）に現れたレジストマーク３１の直線部４１〜４４のうち、測定方向（ｘ軸方向）と交差する直線部４２,４４は、測定枠５１,５２（図５(ｂ)）の中でのコントラスト差が非常に小さいとする。
この場合は、図３(ａ)の画像を用いて説明した手順と同様に、直線部４２,４４の異なる複数の箇所の各々で測定方向の明暗変化を抽出して（図７参照）、この明暗変化を非測定方向に積算し（プロジェクション処理）、レジストマーク３１の信号波形（図４(ａ)）を生成する。

そして、検査用の画像（図５(ａ)）に現れた下地マーク３２の直線部４５〜４８のうち、測定方向（ｘ軸方向）と交差する直線部４６,４８は、測定枠５３,５４（図５(ｂ)）の中でのコントラスト差が大きいとする。この場合には、図３(ａ)の画像を用いて説明した手順で下地マーク３２の信号波形（図４(ｂ)）を生成すると、上記の測定誤差δｘが大きくなってしまう。

このため、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、直線部４６,４８の異なる複数の箇所の各々で（例えば各走査線ごとに）測定方向の明暗変化を抽出し（図８参照）、各々の明暗変化のコントラスト（Ｃ_O(ｙ₁)〜Ｃ_O(ｙ₃)など）を算出する。なお、コントラストは、明暗変化の最高階調値と最小階調値との差に等しい。
次に、算出した各々のコントラスト（Ｃ_O(ｙ₁)〜Ｃ_O(ｙ₃)など）から平均値Ｃaveを求め、この平均値Ｃaveを用いて、抽出した各々の明暗変化（図８）の階調値をＣave/Ｃ_O(ｙ)倍する。その結果、各々の明暗変化（図８）は、図９に示すような一定のコントラスト（＝平均値Ｃave）の明暗変化に変換される。

そして、このようにして各明暗変化のコントラストを互いに揃えた後（図８→図９）、得られた一定のコントラスト（＝平均値Ｃave）の明暗変化を非測定方向に積算して（プロジェクション処理）、下地マーク３２の信号波形（図４(ｂ)）を生成する。
したがって、レジストマーク３１と下地マーク３２の各信号波形（図４(ａ),(ｂ)）から相関演算などにより求めた重心位置Ｃ₁,Ｃ₂は、共に、測定枠５１〜５４の中心（すなわち図５(ｃ),図７(ａ)の位置ｙ₂）における明暗変化を仮の信号波形として同様に求めた重心位置Ｃ₁(ｙ₂),Ｃ₂(ｙ₂)に一致することになる。

このため、プロジェクション処理による信号ノイズの低減を行う場合でも、検査用の画像（図５(ａ)）から選択した直線部４１〜４８の傾き（回転誤差δθ）やコントラストの不均一に影響されず、正確に重ね合わせずれ量Ｌを求めることができる。
つまり、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、上記の手順で検査用の画像（図５(ａ)）を処理するため、回転誤差δθによる測定誤差δｘを低減して正確に（つまり機差１nm以下で）重ね合わせずれ量Ｌを求めることができる。その結果、測定値である重ね合わせずれ量Ｌの信頼性が高まり、半導体製造における歩留まりの向上に資する。

なお、上記した第１実施形態では、検査用の画像（図５(ａ)）に現れたレジストマーク３１の直線部４２,４４のコントラスト差が非常に小さい場合（図７）を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。この直線部４２,４４のコントラスト差が大きい場合には、直線部４２,４４から抽出した測定方向の各明暗変化についてもコントラストを互いに揃える処理（図８→図９）を行い、その後、プロジェクション処理による積算を行って信号波形（図４(ａ)）を生成すればよい。

さらに、レジストマーク３１の直線部４２,４４のコントラスト差が大きく、逆に、下地マーク３２の直線部４６,４８のコントラスト差が小さい場合にも、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
また、各明暗変化のコントラストを互いに揃える処理（図８→図９）は、検査用の画像（図５(ａ)）から抽出した明暗変化そのものに対して個別に行ってもよいが、この方法に限定されない。例えば、各測定枠を非測定方向の位置が異なる複数の領域に分割し、分割領域内の複数の隣接する明暗変化を積算した後で、各分割領域の明暗変化ごとに、コントラストを互いに揃える処理（図８→図９）を行ってもよい。

（第２実施形態）
ここでは、第１実施形態で説明したコントラストの均一化（図８→図９）を行わずに、次のような手順で検査用の画像（図５(ａ)）を処理する。ここでも、ｘ軸方向を測定方向とする例で説明する。
検査用の画像（図５(ａ)）に現れたレジストマーク３１の直線部４１〜４４のうち、測定方向（ｘ軸方向）と交差する直線部４２,４４から、測定方向の明暗変化を複数抽出し（例えば図７参照）、この明暗変化を非測定方向に積算して（プロジェクション処理）、レジストマーク３１の信号波形（図４(ａ)）を生成する。

同様に、検査用の画像（図５(ａ)）に現れた下地マーク３２の直線部４５〜４８のうち、測定方向（ｘ軸方向）と交差する直線部４６,４８から、測定方向の明暗変化を複数抽出し（例えば図８参照）、この明暗変化を非測定方向に積算して（プロジェクション処理）、下地マーク３２の信号波形（図４(ｂ)）を生成する。
そして、レジストマーク３１と下地マーク３２の各信号波形（図４(ａ),(ｂ)）から相関演算などにより求めた重心位置Ｃ₁,Ｃ₂を用いて、測定誤差δｘ（図８）を含む重ね合わせずれ量Ｌを算出する。

次に、重ね合わせずれ量Ｌに含まれる測定誤差δｘ（図８）の加減算を行うため、レジストマーク３１の直線部４２,４４から抽出した各明暗変化のコントラスト（例えば図７のＣ_i(ｙ₄),Ｃ_i(ｙ₂),Ｃ_i(ｙ₅)など）を算出する。同様に、下地マーク３２の直線部４６,４８から抽出した各明暗変化のコントラスト（例えば図８のＣ_O(ｙ₁)〜Ｃ_O(ｙ₃)など）も算出する。算出したコントラストは、非測定方向における明暗変化の位置情報（ｙ₁〜ｙ₅など）と共に不図示のメモリに保存される。位置情報（ｙ₁〜ｙ₅など）は、例えば各走査線のアドレスなどである。

また、測定誤差δｘ（図８）の加減算を行うために、次のような計算式(２)を用意する。

計算式(２)は、加減算用の補正係数としての測定誤差δｘを算出するための一次近似式であり、検査用の画像（図５(ａ)）の回転誤差δθをパラメータとして含んでいる。回転誤差δθは、上記したように、カメラ２６の傾き角と等しい。このため、予め測定を行い、装置パラメータとして登録することができる。回転誤差δθの測定には、市販の（例えばコグネックス社製など）の画像解析ソフトを用いればよい。

また、計算式(２)は、右辺の第１項が内側のレジストマーク３１に起因する誤差成分、第２項が外側の下地マーク３２に起因する誤差成分を表している。さらに、これらの各項は、例えば各走査線（非測定方向の各位置）ごとに、各マークの直線部が回転誤差δθに伴って測定方向にシフトする量（ｙ・δθ）を、コントラストＣ_i(ｙ),Ｃ_O(ｙ)で重み付けして求めた平均値を意味している。

本実施形態では、このような計算式(２)にしたがって、検査用の画像（図５(ａ)）から求めたレジストマーク３１に関わるコントラストＣ_i(ｙ)と、非測定方向の位置情報(ｙ)と、回転誤差δθとの積（Ｃ_i(ｙ)・ｙ・δθ）を算出し、これを測定枠５１,５２の中で積算した後、得られた積算値をコントラストＣ_i(ｙ)の積算値で除算することによって、第１項のレジストマーク３１に起因する誤差成分を算出する。

同様に、画像（図５(ａ)）から求めた下地マーク３２に関わるコントラストＣ_O(ｙ)と、を非測定方向の位置情報(ｙ)と、回転誤差δθとの積（Ｃ_O(ｙ)・ｙ・δθ）を算出し、これを測定枠５３,５４の中で積算した後、得られた積算値をコントラストＣ_O(ｙ)の積算値で除算することによって、第２項の下地マーク３２に起因する誤差成分を算出する。
さらに、レジストマーク３１に起因する誤差成分（第１項）と、下地マーク３２に起因する誤差成分（第２項）との差を求め、加減算用の補正係数としての測定誤差δｘを算出する。

そして最後に、この補正係数を用いて、上記したコントラストの均一化（図８→図９）を行わずに算出した重ね合わせずれ量Ｌに含まれる測定誤差δｘ（図８）の加減算を行い、重ね合わせずれ量Ｌを補正する。
したがって、プロジェクション処理による信号ノイズの低減を行う場合でも、検査用の画像（図５(ａ)）から選択した直線部４１〜４８の傾き（回転誤差δθ）やコントラストの不均一に影響されず、正確に重ね合わせずれ量Ｌを求めることができる。

つまり、本実施形態でも、回転誤差δθによる測定誤差δｘを低減して正確に（つまり機差１nm以下で）重ね合わせずれ量Ｌを求めることができる。その結果、測定値である重ね合わせずれ量Ｌの信頼性が高まり、半導体製造における歩留まりの向上に資する。
なお、上記した第２実施形態では、計算式(２)のパラメータである回転誤差δθを市販の画像解析ソフトによって予め測定する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１０に示す通り、画像の直線部４６,４８において、非測定方向の異なる位置に、一対の測定枠５３Ａ,５４Ａと測定枠５３Ｂ,５４Ｂとを設定し、両者の間隔δｙに応じた既知の間隔δｘと、測定枠５３Ａ,５４Ａから抽出した明暗変化のコントラストＣ_i(ｙ)と、測定枠５３Ｂ,５４Ｂから抽出した明暗変化のコントラストＣ_O(ｙ)などを、計算式(２)にしたがって計算することで、回転誤差δθを求めてもよい。この回転誤差δθは予め装置パラメータとして登録することも可能であるが、検査用の画像を取り込むごとに計算しても構わない。

また、上記した第２実施形態では、計算式(２)のパラメータとして画像の回転誤差δθを用いたが、本発明はこれに限定されない。レジストマーク３１と下地マーク３２とで各直線部の傾きが異なる場合には、右辺の第１項のδθとしてレジストマーク３１の直線部の傾き角を用い、第２項のδθとして下地マーク３２の直線部の傾き角を用いればよい。レジストマーク３１も下地マーク３２も同じ露光装置を使って形成するため、通常は共通のδθを用いればよいが、形成するタイミングがずれているため異なるδθを用いる方が適切な場合もあり得る。

重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す概略図である。重ね合わせマーク１１Ａの構成(ａ),(ｂ)を説明する模式図である。検査用の画像に現れた直線部４１〜４８(ａ)と、これに設定する測定枠５１〜５８(ｂ),(ｃ)を説明する図である。プロジェクション処理による積算後の信号波形を説明する図である。検査用の画像の回転誤差δθと座標軸(ｘ軸,ｙ軸)に対する直線部４１〜４８の傾きを説明する図である。測定枠５３,５４の中の直線部４６,４８の測定方向の明暗変化を説明する図である（コントラスト差が小さい場合）。測定枠５１,５２の中の直線部４２,４４の測定方向の明暗変化を説明する図である（コントラスト差が小さい場合）。測定枠５３,５４の中の直線部４６,４８の測定方向の明暗変化を説明する図である（コントラスト差が大きい場合）。各明暗変化のコントラストを互いに揃えた後の状態を説明する図である。回転誤差δθの求め方の変形例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 ; １３〜１９照明光学系 ;
１８〜２５結像光学系 ; ２６ＣＣＤカメラ ; ２７制御部 ; ３１レジストマーク ;
３２下地マーク ; ４１〜４８直線部 ; ５１〜５８測定枠 ;
３１Ｌ,３１Ｒ,３２Ｌ,３２Ｒプロジェクション処理後の信号波形

Claims

基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む取込手段と、
前記画像に現れた前記第１マークの直線部のうち、予め定めた測定方向と交差する第１直線部に基づいて、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第１信号波形として生成する第１処理手段と、
前記画像に現れた前記第２マークの直線部のうち、前記測定方向と交差する第２直線部に基づいて、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第２信号波形として生成する第２処理手段と、
前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの前記測定方向における重ね合わせずれ量を求める第３処理手段とを備え、
前記第１処理手段は、前記第１直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化を前記測定方向と垂直な方向に積算することで、前記第１信号波形を生成し、
前記第２処理手段は、前記第２直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を前記垂直な方向に積算することで、前記第２信号波形を生成する
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む取込手段と、
前記画像に現れた前記第１マークの直線部のうち、予め定めた測定方向と交差する第１直線部に基づいて、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第１信号波形として生成する第１処理手段と、
前記画像に現れた前記第２マークの直線部のうち、前記測定方向と交差する第２直線部に基づいて、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第２信号波形として生成する第２処理手段と、
前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの前記測定方向における重ね合わせずれ量を求める第３処理手段とを備え、
前記第１処理手段は、前記第１直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を前記測定方向と垂直な方向に積算することで、前記第１信号波形を生成し、
前記第２処理手段は、前記第２直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化のコントラストを互いに揃えた後、該明暗変化を前記垂直な方向に積算することで、前記第２信号波形を生成する
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む取込手段と、
前記画像に現れた前記第１マークの直線部のうち、予め定めた測定方向と交差する第１直線部に基づいて、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第１信号波形として生成する第１処理手段と、
前記画像に現れた前記第２マークの直線部のうち、前記測定方向と交差する第２直線部に基づいて、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化に関わる信号波形を第２信号波形として生成する第２処理手段と、
前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの前記測定方向における重ね合わせずれ量を求める第３処理手段とを備え、
前記第１処理手段は、前記第１直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第１直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化を前記測定方向と垂直な方向に積算することで、前記第１信号波形を生成し、
前記第２処理手段は、前記第２直線部の異なる複数の箇所で、それぞれ、該第２直線部を前記測定方向に横切ったときの明暗変化を抽出し、該明暗変化を前記垂直な方向に積算することで、前記第２信号波形を生成し、
前記第３処理手段は、前記第１信号波形と前記第２信号波形とを用いて前記重ね合わせずれ量を求めた後、前記第１直線部から抽出された各々の明暗変化のコントラストと前記第２直線部から抽出された各々の明暗変化のコントラストとに基づいて、前記重ね合わせずれ量を補正する
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。