JP2007300089A

JP2007300089A - オーバーレイ計測装置及びそれを用いたオーバーレイ計測方法

Info

Publication number: JP2007300089A
Application number: JP2007104570A
Authority: JP
Inventors: Gyo-Hyung Choi; 交亨崔
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2007-11-15
Also published as: CN101063829B; DE102007018306A1; US20070280557A1; KR100714280B1; CN101063829A; US7894062B2; TW200741377A

Abstract

【課題】オーバーレイパターンを計測してオーバーレイ補正値を生成するオーバーレイ計測装置及びそのオーバーレイ計測方法を提供する。
【解決手段】光源で生成された可視光から単一の波長を選別して複数個のオーバーレイパターンに入射し、オーバーレイパターンで反射した可視光を用いてオーバーレイパターンを所定の色相で投影する光学モジュールを備える。単一の波長帯域おけるオーバーレイパターンイメージは、撮像部で映像信号が取得される。撮像部で取得された映像信号は、順にデータベースに蓄積され、選択部においてより鮮明度の高いオーバーレイパターンが選択される。制御部は、選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用される単一の波長帯域に対する情報を用いてオーバーレイパターンが投影されるように光学モジュールに制御信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置及びそれを用いた半導体製造方法に係るもので、詳しくは、ウェハ表面に形成されたオーバーレイパターンを計測してオーバーレイ補正値を算出するオーバーレイ計測装置及びそのオーバーレイ計測方法に関する。

最近ではコンピューターのような情報媒体の急速な普及に従い、半導体装置も飛躍的に発展してきた。その機能の面で前記半導体装置は高速で動作するとともに大容量の貯蔵（記録）能力を有することが求められる。このような要求に応じて、半導体装置は集積度、信頼度及び応答速度を向上させる方向に製造技術が発展している。

そこで、半導体産業において競争力強化のための一環として高い生産収率を補償できるそれぞれの単位工程が開発されており、同時に各単位工程における工程エラーを測定する方法及び装置も活発に研究されている。特に、核心半導体製造工程中の１つである写真工程の場合にも工程条件の変化が頻繁なので、これに対処できる工程開発及びこれを行うための装置が必要なのが実情である。

前記写真工程はウェハ上にフォトレジストを塗布した状態において所望のパターンが形成されるように前記フォトレジストを露光及び現像してフォトレジストパターンを形成する工程である。そして、前記フォトレジストパターンを食刻マスクとして使用して前記フォトレジストパターン下部のウェハまたは前記ウェハ上に形成された薄膜をパターニングする。

このような写真工程を媒介にウェハ上に精密な半導体パターンを形成しようとするとき、所望するパターンの形状に前記フォトレジストパターンが形成されるようにするため、前記フォトレジストを選択的に感光させるパターンマスクとして使用される“レティクル”の位置が指定の位置にあるべきであり、前記レティクルに対応されるウェハも正確に整列する必要がある。そのほかに前記レティクルに投影されて入射される光を伝達する光学界の不良のような多様な原因に起因してレティクルとウェハのアライメントが正確になされない場合、先行工程によりウェハ上に形成された多数の薄膜パターン上で指定された位置に後続工程によるまた他の薄膜パターンを形成することができないとの問題点が発生し、このような問題点は直ちに半導体製品の固有機能の喪失を意味する。

このような致命的な問題を克服するために露光工程に使用されるたいていのレティクルには整列のための整列パターンとオーバーレイパターンとが形成されている。このとき、前記整列パターンは該当写真工程において露光が正確になされるようにウェハを整列させるためのものであり、前記オーバーレイパターンは先行工程と後続工程において写真工程条件が一致するかを計測するためのものである。このとき、前記オーバーレイパターンは前記レティクルが変わるごとに先行工程で形成されたオーバーレイパターンと後続工程で形成されたオーバーレイパターンとが互いに比較可能に重なるか、または一定間隙をもって配列される。

そこで、オーバーレイ計測装置は先行工程及び後続工程で形成された前記オーバーレイパターン間の差を測定又は対照して作業者または半導体製造設備の制御部に提供することにより、写真工程におけるレティクル及びウェハの位置情報がフィードバック制御される。その結果、正確な位置にフォトレジストパターンを形成することができる。

このとき、オーバーレイ測定装置により測定される複数個のオーバーレイパターンは、ウェハ上に１つの薄膜が形成されるごとに１つずつ形成される。そのため、オーバーレイパターンは、薄膜のように積層された状態なので、同一平面に位置しない。

このような理由で従来のオーバーレイ計測装置においては、光学モジュールを通して複数個の隣接するオーバーレイパターンを拡大投影させ、拡大投影された前記オーバーレイパターンをカメラのような撮像部で撮像して前記複数個のオーバーレイパターンに対応される映像信号を取得する。また、判読部は前記撮像部から取得された前記映像信号をイメージ化した後、前記複数個のオーバーレイパターンに対応する複数個のオーバーレイパターン映像の位置差を判読してオーバーレイ補正値を算出し、露光設備にフィードバックしている。

ここで、前記光学モジュールは白色の可視光からなる入射光を前記ウェハ表面に照射して反射される反射光を拡大投影する。そして、前記撮像部は、前記複数個のオーバーレイパターンに対応する映像を取得する。また、前記複数個のオーバーレイパターンは、前記ウェハ表面に形成された薄膜または感光膜から所定の段差を有して凹んだトレンチまたは突出した陽刻（block）に形成される。

然るに、前記光学モジュールを通して照射される前記可視光の特定の波長に類似であるかまたは近接した線幅を有する前記オーバーレイパターンの場合、照射された特定の波長の前記可視光が回折または散乱されてオーバーレイ計測不良を誘発させる。例えば、白色の可視光からなる入射光は前記複数個のオーバーレイパターンに入射された後に回折または散乱されて赤色、青色、或いは緑色を少なくとも１つ以上だけ含むカラー成分からなった反射光に分光されて反射される。このとき、前記カラー成分に分光されて現れる反射光は、モノクロ（白黒）に処理される。この過程において前記撮像部は、前記オーバーレイパターンにより回折または散乱された前記反射光をそのまま映像信号に処理しながら、前記オーバーレイパターン映像の一部または全体を歪曲させる。従って、前記判読部は、前記撮像部で一部または全体が歪曲されて得られた複数個のオーバーレイパターン映像を元にして不正確なオーバーレイ補正値を算出することになる。その結果、精度の低下を招き、生産収率が低下するという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、前記オーバーレイパターンで前記可視光が回折または散乱されて誘発されるオーバーレイ計測不良を防止して生産収率を増大または極大化するオーバーレイ計測装置及びそのオーバーレイ計測方法を提供することにある。

このような目的を達成するため本発明によるオーバーレイ計測装置は、多様な種類の波長を有する可視光を生成する光源と、前記光源で生成された前記可視光から単一の波長を選別して複数個のオーバーレイパターンに入射し、前記複数個のオーバーレイパターンで反射される前記可視光を用いて前記オーバーレイパターンを所定の色相を有して投影する光学モジュールと、前記光学モジュールで前記可視光の単一波長帯域に従い前記複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを撮像して前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応される映像信号が入力される撮像部と、前記撮像部で取得された映像信号を順に蓄積するデータベースと、前記データベースに蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる前記複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、比較的優位の鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択する選択部と、前記選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用される前記可視光の単一波長帯域に対する情報を用いて前記光学モジュールで前記オーバーレイパターンが特定色相を有して投影されるように前記光学モジュールに制御信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の他の実施形態によるオーバーレイ計測装置は、多様な種類の波長を有する可視光を生成する光源と、前記光源で生成された前記可視光をオーバーレイパターンに入射し前記オーバーレイパターンで反射されて投影される前記可視光の単一の波長を選別して、前記オーバーレイパターンを所定の色相を有して投影する光学モジュールと、前記光学モジュールで前記可視光の単一波長帯域に従い前記複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを撮像して前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応される映像信号が入力される取得部と、前記撮像部で入力された映像信号を順に蓄積するデータベースと、前記データベースに蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、比較的優位の鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択する選択部と、前記選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用される前記可視光の単一波長帯域に対する情報を用いて前記光学モジュールで前記オーバーレイパターンが特定色相を有して投影されるように前記光学モジュールに制御信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明のまた他の実施形態によるオーバーレイ計測方法は、複数個のオーバーレイパターンを投影させるために使用される可視光の単一波長帯域に従い複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを取得する段階と、前記可視光の単一の波長帯域に従い取得された複数個のオーバーレイパターンイメージに対応される映像信号を順にデータベースに蓄積する段階と、前記データベースに蓄積された映像信号を用いて前記複数個のオーバーレイパターンイメージを示し、前記複数個のオーバーレイパターンイメージで現れる複数個のオーバーレイパターンの鮮明度を比較して、比較的優位な鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択部で選択する段階と、前記選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを取得するために使用された該当単位波長帯域を有する前記可視光を用いて前記複数個のオーバーレイパターンを拡大投影させるように制御する段階と、を備えることを特徴とする。

本発明は、互いに異なる単一波長を有する可視光を用いて複数個のオーバーレイパターンイメージを取得し、前記複数個のオーバーレイパターンイメージのうち比較的優位な鮮明度を有するオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択する。そして、選択された前記オーバーレイパターンイメージに該当する単一波長の可視光を用いて後続で優れたオーバーレイ計測工程を行うことにより、前記可視光が回折または散乱されて誘発されるオーバーレイ計測不良が防止され、生産収率を増大または極大化することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例によるオーバーレイ計測装置及びそれを用いたオーバーレイ計測方法を説明する。本発明の実施例は種々の形態に変形できるし、本発明の範囲が以下に詳述する実施例により限定されるものとして解釈されてはいけない。本実施例は当業界で平均的な知識を有したものに本発明を一層完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されたものである。

（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例によるオーバーレイ計測装置を概略的に示すダイアグラムであり、図２は図１の光学モジュール２００を示す構成断面図であり、図３はオーバーレイパターンの平面図であり、図４は図３のＩ−Ｉ’線上で切断した断面図である。
図１に示すように、第１実施例のオーバーレイ計測装置は、光源１００と、光学モジュール２００と、ウェハステージＷＳと、撮像部３００と、データベース４００と、選択部５００と、制御部６００と、判読部７００とを備える。光源１００は、多様な種類の波長を有する白色の可視光を生成する。光学モジュール２００は、前記光源１００で生成された前記可視光の波長を選別してウェハＷ表面に形成された複数個のオーバーレイパターン（例えば、図３の主尺１３０及び副尺１４０）に入射して前記複数個のオーバーレイパターンを投影する。ウェハステージＷＳは、前記ウェハWを支持する。撮像部３００は、前記光学モジュール２００で前記可視光の単一波長帯域に従い前記複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを撮像して前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応する映像信号を取得する。データベース４００は、前記撮像部３００で取得された映像信号を順に蓄積する。選択部５００は、前記データベース４００に蓄積された映像信号を用いて、複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、比較的優位な鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択する。制御部６００は、前記光源１００で生成された白色の可視光から、前記選択部５００で鮮明度が比較的優位とされたオーバーレイパターンイメージを取得する際に用いられた所定の単一波長帯域の可視光を選別し、前記複数個のオーバーレイパターンに入射されるように前記光学モジュール２００を制御する。判読部７００は、前記選択部５００で選択された前記オーバーレイパターンイメージで索引される前記複数個のオーバーレイパターンのずれ程度を判読する。

図示されていないが、オーバーレイ計測装置は、表示部をさらに含んでもよい。表示部は、前記データベース４００に蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを表示し、前記選択部５００で選択された前記オーバーレイパターンイメージを表示する。
ここで、前記光源１００は外部または電源供給部から供給される電源電圧に比例して所定強さの非干渉性を有する白色の可視光を生成する。例えば、前記光源１００はキセノンランプ（xenon lamp）またはハロゲンランプのようなランプ１１０を含んでいる。前記キセノンランプは高圧のキセノンガスで充填された水晶結晶の管内で電子的なアーク放電により光を出すランプである。また、前記ハロゲンランプは白熱電球の一種であり、ガラス球内にハロゲン物質を注入してタングステンの蒸発を一層抑制したランプである。前記ハロゲンランプは臭素やヨードなどのハロゲン元素を注入してタングステンフィラメントの蒸発を抑制している。ガラス球内に注入されたハロゲン元素はフィラメントの素材のタングステン蒸発原子と反応して結合し、この結合された物質はガラス球のなかを漂ったうちにフィラメントに衝突しながらその熱により再度分解される。このとき、タングステン原子はフィラメントと結合し、ハロゲン元素は再度タングステン蒸発原子と反応する。

このような過程を反復しながらフィラメントを再生させるので、ハロゲンランプは白熱電球に比べさらに高い温度にもフィラメントが耐えられる。従って、一層明るい光を出しながらも寿命は長くなる。そして、一般の白熱電球に比べ寿命は２〜３倍である。また、白熱電球で時々現れるガラス球内壁の黒化現象が発生しないので、光束低下が７％程度に止まっている。また、電力消耗が少なく、自然光のような色を鮮明に再現させることができる。従って、光源１００は外部または電源供給部から印加される電源電圧を用いて所定強さの多様な波長を有する白色の可視光を生成する。また、前記光源１００は前記キセノンランプまたはハロゲンランプで生成された光の効率を高めるために前記光学モジュール２００で前記光を集光させるように形成された反射笠１２０をさらに含んでいる。

前記光学モジュール２００は、前記光源１００で生成された白色の可視光を前記ウェハW表面に入射して前記ウェハWに形成された複数個のオーバーレイパターンを拡大投影して前記撮像部３００に出力する。例えば、前記光学モジュール２００は、第１反射鏡２１０と、フィルター２２０と、光繊維２３０と、第１ビームスプリッタ２４０と、投影ユニット２５０とを有している。第１反射鏡２１０は、前記光源１００で生成された前記可視光を反射させる。フィルター２２０は、前記第１反射鏡２１０で反射された多様な種類の波長を有する前記可視光をフィルターリングして単一波長の可視光を選別する。光繊維（光ファイバー）２３０は、前記フィルタ２２０でフィルターリングされた前記可視光の経路を変更して照射する。第１ビームスプリッタ２４０は、前記光繊維２３０で照射される前記可視光を分割する。投影ユニット２５０は、前記第１ビームスプリッタ２４０で分割された可視光をウェハW表面に拡大投影させて入射し、前記ウェハWの表面で反射された可視光を取出して前記撮像部３００に拡大投影させる。

ここで、前記第１反射鏡２１０は、前記可視光を反射させるために使用する鏡であって、ガラスや金属の表面をよく研磨するか、またはそれらの面に銀、アルミニウム、金、硫化亜鉛、ロジウムなどを蒸着させて作り出している。第１反射鏡２１０は、面の形状に従い平面を用いた平面鏡と、球面を用いてレンズのような作用を有するようにした凹鏡または凸鏡を含んだ球面鏡と、放物線状の放物面鏡を含む非球面鏡と、の少なくともいずれかから形成される。

前記フィルター２２０は、前記可視光を含む電磁波を波長に従い選別して特定波長の電磁波だけを透過させる作用をするものである。フィルター２２０は、可視光の場合に色フィルタと称される。例えば、色フィルタは色染料を含むガラス、ゼラチン、プラスティックなどで製造され、いくつかの色フィルタを用いることにより、帯域フィルタのような狭い領域の光透過領域を作ることができる。色フィルタの種類はゼラチンフィルタ、ガラスフィルタ、プラスティックフィルタなどがある。ゼラチンフィルタは長い間使用されたフィルタで、動植物の蛋白質から抽出された染料からなるフィルタである。ガラスフィルタは耐熱性ガラスに色相を着色したもので、スライドグラスフィルタとも言われ、よく退色されず、且つ、汚くなれば拭って使用できるとの長所があるが、重くて破損しやすいとの短所がある。そして、プラスティックフィルタは透過率も優秀であり、着色を自由にすることができて、最近では色フィルタの根幹をなしている。このとき、可視光は約７０００Å〜約４０００Å程度の波長を有する電磁波として、赤、橙、黄、緑、青、藍、菫のような虹の色相を有する光が混合された白色光である。

そこで、前記フィルタ２２０は、多様な種類の波長を有する白色の可視光から単一波長の可視光を選別して前記ウェハWの表面に入射させる。このとき、前記フィルタ２２０は、約７０００Å〜約４０００Å程度の多様な波長を有する前記可視光に対し、いずれか１つの単一波長の可視光が選別されるように前記制御部６００で出力される制御信号に応じてスキャニングされる。例えば、前記フィルタ２２０は、前記制御部６００から出力される制御信号に従い往復移動されながら、多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一波長帯域の可視光を選別して前記第１ビームスプリッタ２４０の方向に入射させる。また、前記フィルタ２２０は、前記制御部６００から出力される制御信号に従い一方向に回転されながら、多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一波長帯域の可視光を選別して前記第１ビームスプリッタ２４０の方向に入射させる。従って、本発明の第１実施例によるオーバーレイ計測装置は、光源１００で生成される可視光が単一波長を有するように選別して複数個のオーバーレイパターンに入射させて、前記複数個のオーバーレイパターンにより回折または散乱されない単一波長を有する前記可視光を用いたオーバーレイ計測を行うことができる。

前記光繊維２３０は、前記可視光の伝送効率を高めるための目的で形成された繊維状の導波管であり、光学繊維ともいわれる。光繊維２３０を数本束ねてケーブルにしたものを光ケーブルといい、その使用が増えている。光繊維２３０は、例えば合成樹脂を材料とするものもあるが、主に透明度のよいガラスで形成されている。その構造は、コアの周りを覆っているクラッド（cladding）を有する二重円柱状である。その外部には衝撃から保護するために合成樹脂による被膜が数層形成されている。保護被膜を除いた光繊維２５０の直径は、１００μｍ〜数１００μｍ程度である。光繊維２３０は、コア部分の屈折率がクラッドの屈折率よりも高くなっていて、前記可視光がコア部分を通して外側に漏れることなく進行する。コアの直径が数μｍのものをシングルモード光ファイバといい、数十μｍのものをマルチモード光ファイバという。また、光繊維２３０は、コアの屈折率分布によってステップインデックスとグレーデッドインデックスとに分けられる。また、光繊維２３０は、外部の電磁波による干渉及び混信がなく、小形・軽量として屈曲にも強く、さらに外部環境の変化にも強い。このとき、前記光繊維２３０から照射される前記可視光が放射状に分散されることを防止して、前記第１ビームスプリッター２４０の方向に前記可視光を集光させる集光レンズ２６０を設置してもよい。

前記第１ビームスプリッタ２４０は、前記光繊維２３０から照射され、前記集光レンズ２６０で集光された前記可視光を、強度に従い少なくとも２つ以上に分離して互いに違う方向に進行させる。例えば、前記第１ビームスプリッタ２４０は、一方向に入射される前記可視光の半分を透過させて平行な方向にそのまま進行させ、残りの半分の前記可視光を垂直な方向に反射して進行させるハーフミラーを含んでいる。このとき、前記ハーフミラーを通じて透過される半分の前記可視光は、レファレンスレンズ２５６とレファレンス反射ミラー２５８とで反射されて前記第１ビームスプリッター２４０にフィードバックされる。このとき、前記レファレンスレンズ２５６とレファレンス反射ミラー２５８で反射されて前記第１ビームスプリッタ２４０にフィードバックされる可視光は、前記ウェハＷに入射されて、前記第１ビームスプリッタ２４０に反射される前記可視光に干渉効果を起こして前記ウェハＷ上に形成された複数個のオーバーレイパターンで反射される前記可視光を増幅させる。反面、前記第１ビームスプリッタ２４０は、前記ウェハＷ上に形成された複数個のオーバーレイパターンで反射されて前記撮像部３００に向けて進行される可視光を全て透過させる。

一方、前記第１ビームスプリッタ２４０を通じて反射された可視光の残りの半分は、前記投影ユニット２５０により拡大投影されて前記ウェハＷの表面に入射される。前記投影ユニット２５０は、１つ以上のメイン対物レンズ２５２と、接眼レンズ２５４とを有している。メイン対物レンズ２５２は、前記導光ユニットで伝達される前記可視光を縮小させて前記ウェハＷの表面に形成された複数個のオーバーレイパターンに入射させる。接眼レンズ２５４は、前記メイン対物レンズ２５２を通じて前記ウェハＷの表面に入射され、反射された前記可視光を用いて前記複数個のオーバーレイパターンを拡大させる。

ここで、メイン対物レンズ２５２は、ウェハＷに最も近いレンズであり、対物レンズともいう。また、前記接眼レンズ２５４は、物体の像を結ぶために使用されるレンズである。メイン対物レンズ２５２は、前記カメラまたは作業者の目に接する側の接眼レンズと対応している。対物レンズは近い距離にある物体の拡大像を作るものであって、いろんな収差を十分に補正するために多くのレンズから構成されている。低倍率用の対物レンズは色収差の厳密な補正が必要でないので、色消し対物レンズが使用される。高倍率用の対物レンズは、色収差が十分に補正された高次色消し対物レンズが使用される。例えば、前記メイン対物レンズ２５２は、複数個の高次色消し対物レンズでなる。また、前記接眼レンズ２５４は、観察者または前記撮像部３００に近接するレンズであり接眼鏡ともいう。接眼レンズ２５４は、対物レンズにより十字線上にできた像を拡大して見るための装置であり、前記メイン対物レンズ２５２と距離を増減させて前記オーバーレイパターンの像が最も鮮明に見られる位置が決定される。このとき、前記投影ユニット２５０を通じて拡大される前記オーバーレイパターンの拡大された像の大きさは、前記メイン対物レンズ２５２の倍率と前記接眼レンズ２５４の倍率の積により決定される。例えば、前記投影ユニット２５０は前記ウェハW表面を７５０μｍ、１５０μｍ、５０μｍ程度の大きさを拡大投影する倍率を有するように構成される。

図２に示すように、前記第１ビームスプリッタ２４０からレファレンス反射鏡２５８までの距離Ｌ２と、前記第１ビームスプリッタ２４０からウェハＷ表面までの距離Ｌ１と、が同一または近似する場合、前記第１ビームスプリッタ２４０を通じて前記レファレンス反射鏡２５８と前記ウェハＷに分離されて入射された後に反射される前記可視光とが取り合わせられる過程において、互いに補強干渉現象を起こして前記撮像部３００に伝達される。

ここで、前記第１ビームスプリッタ２４０からレファレンス反射鏡２５８までの距離Ｌ２は固定された値であり、前記第１ビームスプリッタ２４０の中心で水平方向に前記第１ビームスプリッタ２４０を囲むハウジング２４２までの距離Ｌｒと、前記第１ビームスプリッタ２４０のハウジング２４２から前記レファレンス反射鏡２５８までの距離Ｌｍとを合算して算出される（Ｌ２＝Ｌｒ＋Ｌｍ）。

また、前記第１ビームスプリッタ２４０で前記ウェハＷ表面までの距離Ｌ１は変更される値であり、前記第１ビームスプリッタ２４０で垂直方向に前記第１ビームスプリッタ２４０を囲むハウジング２４２までの距離Ｌａと、前記第１ビームスプリッタ２４０のハウジング２４２からメイン対物レンズ２５２の最末端までの距離Ｌｐと、前記メイン対物レンズ２５２の最末端からウェハＷ表面までの距離Ｌｆとを合算して示される（Ｌ１＝Ｌａ＋Ｌｐ＋Ｌｆ）。

前記第１ビームスプリッタ２４０は、前記ハウジング２４２の内部で上昇又は下降されながら前記ハウジング２４２までの高さが調節される。例えば、前記第１ビームスプリッタ２４０が移動する距離は、“Ｐ”値で示される。この“Ｐ”値は、０から１０μｍ程度に設定される。このとき、前記レファレンスレンズ２５６及び前記レファレンス反射鏡２５８も、前記第１ビームスプリッタ２４０と連動して移動する。また、前記ハウジング２４２と前記メイン対物レンズ２５２の最末端との距離は固定値である。そして、前記メイン対物レンズ２５２の最末端から前記ウェハＷ表面までの距離は、前記メイン対物レンズ２５２の焦点距離であって、前記メイン対物レンズ２５２を通じて前記ウェハ表面に形成された複数個のオーバーレイパターンの像が正確に結ばれるようにするために前記メイン対物レンズ２５２の仕様に従い決定される距離なので、一定な定数値に固定される。従って、光学モジュール２００は、第１ビームスプリッタ２４０からレファレンス反射鏡２５８までの距離と、前記第１ビームスプリッタ２４０からメイン対物レンズ２５２を経てウェハの表面距離とが互いに同一または近似する場合に、優れたオーバーレイ計測が実施される。

前記可視光は、前記第１ビームスプリッタ２４０で接眼レンズ２５４を通じて前記撮像部３００に伝達される。図示されていないが、前記接眼レンズ２５４と前記撮像部３００との間には、前記可視光を所定の強度に従い分離させる第２ビームスプリッタと、前記第２ビームスプリッタから分離された所定の可視光の強度または強さを検出する検出部とを設けてもよい。ここで、前記第２ビームスプリッタは、前記撮像部３００に隣接する鏡筒の内部に形成され、前記可視光を分離させる。前記第２ビームスプリッタは、例えば前記第１ビームスプリッタ２４０と同一または類似の原理により前記可視光を強さに従い分離させて一部の可視光を前記撮像部３００に進行させ、残りの可視光を前記検出部に反射させる。また、前記検出部は、前記第２ビームスプリッタで入射される可視光を検出する光センサであって、前記撮像部３００に入射される可視光の強度または強さを認識する尺度となる。このとき、前記光源１００で所定強度または強さで供給される前記可視光は、前記フィルタ２２０で選別されて前記ウェハＷ表面に入射された後、前記ウェハＷの表面で反射されながら波長または周波数がほとんど変化しない反面、強度または強さが急激に低減する。従って、前記可視光の強度または強さに対応する前記可視光の振幅だけを検出することにより、前記撮像部３００で撮像される可視光の強度または強さが測定される。このとき、前記制御部６００は、前記可視光の強度または強さが高かいかまたは低い場合、前記光源１００に供給される電源電圧を制御して前記可視光の強度または強さを調節する。

前記撮像部３００は、前記ウェハＷの表面で反射し前記メイン対物レンズ２５２と接眼レンズ２５４とにより拡大投影された前記複数個のオーバーレイパターンのイメージを取得する。このとき、前記撮像部３００は、前記メイン対物レンズ２５２及び前記接眼レンズ２５４の焦点で前記複数個のオーバーレイパターンイメージを取得する。例えば、前記撮像部３００は、前記複数個のオーバーレイパターンのイメージのような情報を検知して電気的な映像信号に変換するイメージセンサーを有している。このイメージセンサーは、撮像管と固体撮像素子とに大きく分けられる。前者の撮像管としては、ビジコン、プランビコンなどがあり、後者の固体撮像素子としては相補性金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）型イメージセンサ、及び電荷結合素子（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）型イメージセンサがある。ここで、前記撮像管は価格が低廉で寿命が長いとの特長があるが、解像度が低くてオーバーレイ計測に使用されることができない。前記固体撮像素子は半導体化及び集積化された撮像素子であって、前記撮像管に対応して撮像板ともいわれる。前記固体撮像素子は、前記可視光が入射される半導体基板上に光電変換と電荷の蓄積機能を有する２次元的に配列された画素群（特別なものとしては１次元的なものもある）と、画素に蓄積された電荷像を一定の順序に従い読み出す走査機能とを合わせて一体的な構造になるように固体化したものである。このとき、前記半導体基板は、ほとんど単結晶シリコン基板であり、前記画素は前記半導体基板上にマトリックス配列を有する。従って、前記固体撮像素子は、全画素の最小構成単位の画素電荷量が順に読み出されて出力信号電流が生成される。前記固体撮像素子は、光電変換−蓄積−走査（リード）が必須機能であり、その方式は構造的に１つずつ分離独立された画素を走査信号発生器を通じて各画素を順に伝送して読み出す電荷伝送が基本方式である。このとき、前記可視光を受光する受光部の信号伝送に金属酸化物半導体トランジスタを用いたものを相補性金属酸化物半導体イメージセンサといい、電荷結合素子を使用したものを電荷結合素子（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）型イメージセンサという。

前記相補性金属酸化物半導体型イメージセンサは、半導体酸化皮膜を用いた単極電解効果型の能動素子のＭＯＳトランジスタを基本構成素子とする集積回路構造を持つ低消費電力型の撮像素子である。また、相補性金属酸化物半導体イメージセンサは、インバータ回路にｐ−チャンネルトランジスタとｎ−チャンネルトランジスタとをともに構成することによって、動作速度（演算速度）は遅いが消費電力が非常に小さい。そのため、半導体、ポケット計算機及び腕時計などの携帯用製品に多く応用されており、その使用範囲が広くなるとともに、オーバーレイ計測装置において実用度が高くなっている。

反面、前記電荷結合素子型イメージセンサは、半導体薄膜と表面に設置した多数の電極を主体としてなされるダイオードまたは抵抗のような手動素子を基本構成素子とした集積回路から構成される。前記電荷結合素子は、１９７０年米国のベル研究所で発表した半導体素子であって、ｎ型の半導体基板の表面に０．１ｍ程度の厚さの絶縁層を形成し金属電極を配列してこの金属電極の電圧を制御することにより、半導体表面電位の低い部分を左右に移動させて蓄積された電荷をこれに合わせて順次伝送させることが可能である。そのため、シフトレジスタ及び記憶装置に応用される。前記電荷結合素子は、金属酸化物半導体トランジスタに類似する単純な構造の素子であり、電荷の蓄積による記憶と電荷の移動による伝送との２つの機能をもっていて高集積化が可能である。電荷結合素子は、電荷の大きさによるアナログ量の記憶伝送が可能なので、ＴＶカメラの映像回路、映像記憶装置に対する応用が進んでいる。前記電荷結合素子は、現在デジタルカメラ及び多くの種類のビデオカメラをはじめとして日常生活だけでなく、高解像度を求める産業現場でも多く使用されている。

従って、前記撮像部３００は、電荷結合素子イメージセンサまたは相補性金属酸化物半導体イメージセンサが用いられる。撮像部３００は、光学モジュール２００により拡大投影された複数個のオーバーレイパターンを撮影して高解像度のデジタル信号の映像信号として取得する。このとき、前記撮像部３００は、前記フィルタ２２０で単一波長を有するように選別された可視光に対応して複数個の映像信号を出億する。例えば、前記フィルタ２２０で約７０００Å程度の波長を持つ赤色系列の可視光が選別される場合、前記赤色系列の可視光により現れる前記ウェハＷ表面の複数個のオーバーレイパターンが含まれた映像信号を出力する。また、前記フィルタ２２０で約５０００Å程度の青色系列の可視光が選別される場合、前記青色系列の可視光により現れる複数個のオーバーレイパターンが含まれる映像信号を出力する。

前記データベース４００は、前記撮像部３００で出力される前記映像信号を入力されて前記複数個のオーバーレイパターンが現れる前記複数個のイメージを順に蓄積する。前記データベース４００は、一般に共有されて使用される目的で統合管理される情報の集合を通称するものであって、前記複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のイメージのように類似であるかまたは論理的に関連した１つ以上の資料の集め、その内容を高度に組織化することにより、検索と更新の効率化が図られる。即ち、幾つかの資料ファイルを組織的に統合して資料項目の重複をなくし、資料を構造化して記憶させた資料の集合体である。データベース４００が有する幾つかの特性を見ることにより、その長所を明らかにすることができる。

まず、第一に、いくら類似なものであっても同一の重複資料として認識して蓄積することがなく、第二に、コンピューターのような電算処理装置がアクセスして処理可能な蓄積装置として逐次記録でき、第三に、ある組織の機能を行うためにぜひ必要であり、存在目的が明らかで且つ有用性のある運営資料であるため、臨時の必要により集めておいたデータ及び単なる入出力資料の重要性を超えて複数個のイメージで現れる前記複数個のオーバーレイパターンを互いに比較することができる。また、前記データベース４００は、前記撮像部３００で撮像される前記オーバーレイパターンイメージが前記フィルタ２２０で特定単一波長帯域の可視光により投影されたかどうかを前記選択部５００で判断可能にするため、前記フィルタ２２０を通じて前記可視光が所定の色相を有するように選別された際に単一波長の前記可視光に関する情報を前記制御部６００から取得し、前記撮像部３００で出力される映像信号とともに蓄積する。

前記選択部５００は、前記データベース４００に蓄積された映像信号を用いて複数個のイメージでそれぞれ複数個のオーバーレイパターンを現す。また、各イメージで現われる複数個のオーバーレイパターンを相互に比較して、最も鮮明度が高いオーバーレイパターンが現れるイメージを選択する。ここで、前記複数個のオーバーレイパターンは、図３に示すように先行の工程により前記ウェハＷ上に先に形成された主尺１３０と、後続の工程のために前記主尺１３０の内部に形成、又は前記主尺１３０の外郭を囲むように形成された副尺１４０とを含んでいる。例えば、前記主尺１３０は、先行される単位工程により前記ウェハＷ表面から所定の段差を有し、正方形の外郭を囲む複数個のバー形状に形成される。これに対し、前記副尺１４０は、後続の単位工程により前記主尺１３０の内部に前記主尺１３０よりも一辺の長さが小さい正方形に形成される。図４に示すように、前記主尺１３０は、シリコン酸化膜のような層間絶縁膜、または導電性不純物のドーピングされたポリシリコン膜の導電層のような第１薄膜１０２に所定線幅を有するトレンチ（図４の１５０）または陽刻（block）によって前記バー形状に形成される。ここで、前記単位工程は、ウェハＷまたは前記ウェハＷ上に形成された第１薄膜１０２上にフォトレジストパターンを形成する写真工程と、前記写真工程で形成された前記フォトレジストパターンにより露出される前記ウェハＷまたは前記ウェハＷ上に形成される第１膜膜１０２を除去してトレンチ１５０または陽刻（ブロック）を形成する食刻工程と、前記ウェハＷまたは前記ウェハＷ上に形成された前記フォトレジストパターンを除去するエッチング工程と、を含んでいる。この後、前記主尺１３０が形成されたウェハＷの全面に、所定厚さを有する層間絶縁膜と導電性を有する金属層とからなる第２薄膜１０４を形成し、前記第２薄膜１０４上に所定厚さのフォトレジスト１０６が形成され、前記主尺１３０の内部に前記正方形にパターニングされたフォトレジスト１０６からなる副尺１４０が形成される。例えば、前記トレンチ１５０で前記可視光が回折または散乱されると、前記主尺１３０の映像は歪曲する。このとき、特定波長を有する可視光が前記主尺１３０に入射されると、前記可視光の回折または散乱が発生する。例えば、前記可視光の回折または散乱は可視光の波長に比べて増加され、前記主尺１３０の線幅の大きさに半比例して増加されるのが一般的である。即ち、前記可視光の波長が大きければ大きいほど、前記可視光の回折または散乱が多く生じ、前記主尺１３０の線幅の大きさが小さくなるほど、前記回折または散乱がさらに多く生じる。従って、前記可視光の波長を小さくし、前記主尺１３０の線幅を大きくすることにより、前記可視光の回折または散乱が減少する。しかし、前記可視光の波長が紫外光領域まで短くなると、前記副尺１４０のフォトレジスト１０６を感光させて化学的組成を変更させ、後続する前記フォトレジスト１０６を食刻マスクとして使用する食刻工程において、前記フォトレジスト１０６が損傷される。その結果、食刻不良が発生される。また、前記主尺１３０の線幅を大きく形成する場合、ウェハＷの活性領域またはセル領域に形成される微細パターンの大きさと異なり、オーバーレイ補正値の算出が困難になるおそれがある。そこで、前記選択部５００は、多様な波長帯の可視光を用いて前記撮像部３００で取得された複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、前記主尺１３０のイメージを互いに比較し、前記主尺１３０のイメージが一番良好な１つのイメージを選別する。このとき、前記選択部５００は、複数個のオーバーレイパターンイメージが互いに異なった色相を有する場合、前記主尺１３０のイメージを互いに比較するのが難しいため、前記主尺１３０のイメージを含む全体のイメージが白黒に処理する。そして、選択部５００は、白黒に処理された前記複数個のイメージ間で前記主尺１３０のイメージを互いに比較する。前記選択部５００は、１つの前記主尺１３０のイメージが現れる前記オーバーレイパターンイメージに対し前記可視光の強さに従い白黒処理させる。例えば、前記選択部５００は前記複数個のイメージで前記主尺１３０のイメージを互いにオーバーラップさせながら、前記主尺１３０のイメージが一番良好に現れる１つのイメージを選別する。従って、選択部５００は、多様な波長を有する可視光を用いて取得された複数個のイメージで前記可視光の回折または散乱により主尺１３０のイメージが欠損して現れても、前記複数個のイメージに現れた主尺１３０のイメージを互いに比較して前記可視光の回折または散乱がほとんど生じないあるいは最小化された鮮明な主尺１３０のイメージを含む少なくとも１つ以上のイメージを選択する。また、前記選択部５００は、オーバーレイパターンイメージを前記撮像部３００で撮像する際に使用された可視光の特定単位波長帯域を含む情報を前記制御部６００に出力する。

前記制御部６００は、前記光学モジュール２００の前記フィルタ２２０で選別される前記可視光の単一波長帯域に対する情報を、前記フィルタ２２０から伝達されて前記データベース４００に出力する。また、前記制御部６００は、前記選択部５００で選択されたオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用された前記可視光の該当単位波長帯域を含む情報を、前記選択部５００から入手する。そして、制御部６００は、入手した前記該当単位波長帯域を用いて、フィルタ２２０において前記可視光が選別されてオーバーレイ計測が行われるように前記フィルタ２２０を制御する制御信号を出力する。例えば、前記制御部６００は、前記フィルタ２２０が直線上を往復移動させて複数個の単位波長帯域の可視光が選別、または一方向に回転させて複数個の単位波長帯域の可視光が選別するように前記制御信号を出力する。

前記判読部７００は、前記選択部５００で選択された前記主尺１３０のイメージの中心位置と、前記副尺１４０のイメージの中心位置ととのずれを計測してオーバーレイ補正値を算出する。例えば、前記判読部７００は、前記主尺１３０のイメージをＸ軸とＹ軸にそれぞれ分け、前記Ｘ軸方向に垂直な複数個のバー間の中心位置と、前記Ｙ軸方向に垂直な複数個のバー間の中心位置とをそれぞれ計算し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に前記主尺１３０のイメージの中心位置を導出する。同様に、前記判読部７００は、前記副尺１４０で正方形の対応する両側辺をＸ軸とＹ軸の方向に分けてそれぞれの中心位置を求めた後、前記副尺１４０の中心位置を導出する。従って、前記判読部７００は、復元された前記主尺１３０のイメージの中心位置と前記副尺１４０の中心位置とを比較してオーバーレイ補正値を算出する。このとき、前記オーバーレイ補正値は、前記主尺１３０を基準にして前記副尺１４０がＸ軸またはＹ軸方向にずれた大きさを意味する。例えば、前記主尺１３０のイメージの中心位置と前記副尺１４０の中心位置とが互いに一致する場合、前記判読部７００で前記オーバーレイ補正値は‘０’として算出される。また、前記オーバーレイ補正値は、前記ウェハＷ上に形成された多数個の主尺１３０と前記主尺１３０に隣接して形成された多数個の副尺１４０のそれぞれの位置差を計算し、再度各位置差を平均してもよい。

以上のように、本発明の第１実施例によるオーバーレイ計測装置は、光源１００で生成される可視光の単一波長を選別して複数個のオーバーレイパターンに入射させて前記単一波長を有する可視光により前記複数個のオーバーレイパターンを投影させる光学モジュール２００と、前記光学モジュール２００で投影される複数個のオーバーレイパターンを可視光の波長に従い複数個のイメージを撮像する撮像部３００と、前記撮像部３００で撮像された前記複数個のイメージで互いに比較優位の鮮明度を有する１つのイメージを選択する選択部５００と、前記選択部５００で選択されたオーバーレイパターンイメージを取得するために使用される可視光の単一波長帯域に対する情報を用いて、前記光学モジュール２００で前記オーバーレイパターンが特定色相を有して投影されるように前記光学モジュールに制御信号を出力する制御部６００と、を備えている。そのため、前記オーバーレイパターンで特定波長を有する可視光が回折または散乱されて誘発されるオーバーレイ計測不良を防止することができるので、生産収率を増大または極大化することができる。

（第２実施例）
図５は本発明の第２実施例によるオーバーレイ計測装置を概略的に示すダイアプログラムであり、図６は図５の光学モジュール２００を詳しく示した構成断面図であり、図７はオーバーレイパターンの平面図であり、図８は図７のII−II’にそって切断した断面図である。ここで、本発明の第２実施例で説明される要部の構成が第１実施例と同一な場合、同一の符号をもって説明する。

図５に示したように、第２実施例のオーバーレイ計測装置は、光源１００と、光学モジュール２００と、ウェハステージＷＳと、撮像部３００と、データベース４００と、選択部５００と、制御部６００と、判読部７００とを備えている。光源１００は、多様な種類の波長をもつ白色の可視光を生成する。光学モジュール２００は、前記光源１００で生成された前記可視光を複数個のオーバーレイパターン（例えば、図７の主尺１３０及び副尺１４０）に入射させ、前記複数個のオーバーレイパターンで反射される前記可視光の所定単位波長を選別する。ウェハステージＷＳは、前記複数個のオーバーレイパターンが形成されたウェハＷを支持する。撮像部３００は、前記光学モジュール２００で前記可視光の単一波長帯域に従い前記複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを撮像して、前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応される映像信号を取得する。データベース４００は、前記撮像部３００で取得された映像信号を順に蓄積する。選択部５００は、前記データベース４００に蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージのうち比較的優位な鮮明度をもつ複数個のオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択する。制御部６００は、前記選択部５００で選択された鮮明度が比較的優位なオーバーレイパターンイメージを取得するために前記オーバーレイパターンに入射される白色の可視光から所定の単一波長帯域の可視光を選別して所定色相をもつ前記オーバーレイパターンイメージが前記撮像部３００で撮像されるように前記光学モジュール２００を制御するための制御信号を出力する。判読部７００は、前記選択部５００で選択された前記イメージで索引される前記複数個のオーバーレイパターンのずれの大きさを判読する。
図示されていないが、前記データベース４００に蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のイメージを表示し、前記選択部５００で選択された前記イメージを表示する表示部をさらに備えてもよい。

ここで、前記光源１００は外部または電源供給部から供給される電源電圧に比べ所定強さの非干渉性をもつ白色の可視光を生成する。例えば、前記光源１００はキセノンランプまたはハロゲンランプのようなラップ１１０を含んでいる。前記キセノンランプは高圧のキセノンガスで充填された水晶結晶の管内で電子的なアーク放電により灯りを出すランプである。また、前記ハロゲンランプは白熱電球の一種であり、ガラス球内にハロゲン物質を注入してタングステンの蒸発を抑制している。前記ハロゲンランプは臭化及びヨウ化などのハロゲン元素を注入してタングステンフィラメントの蒸発を一層抑制した。ガラス球内に注入されたハロゲン元素はフィラメント素材のタングステン蒸発元素と反応して結合し、この結合された物質はガラス球内を飛び回った途中にフィラメントにぶつかりながらその熱により再度分解される。このとき、タングステン原子はフィラメントと結合し、ハロゲン元素は再度タングステン蒸発原子と反応する。
このような過程を反復しながらフィラメントを再生させるので、ハロゲンランプは白熱電球に比べもっと高い温度でもフィラメントが耐えられる。従って、一層明るい光を出しながらも寿命が長くなる。一般の白熱電球に比べ寿命は２〜３倍である。また、白熱電球で現れるガラス球内壁の黒化現象が発生しなくて光速低下が７％程度にすぎない。また、電力消耗が少なく、自然光のように色を鮮明に再現させることができる。従って、光源１００は外部または電源供給部から印加される電源電圧に比例して白色を有する可視光を効率的に生成する。また、前記光源１００は前記キセノンランプまたはハロゲンランプで生成された光の効率を高めるために前記光学モジュール２００に前記光を集光させるように形成された反射笠１２０をさらに含んでいる。

前記光学モジュール２００は、前記光源１００で生成された多様な波長を有する白色の可視光を前記ウェハＷ表面に入射して前記ウェハＷに形成された複数個のオーバーレイパターンを拡大投影し、前記複数個のオーバーレイパターンに拡大投影された可視光を単一波長に選別して前記撮像部３００に出力する。前記光学モジュール２００は、第１反射鏡２１０と、光繊維２３０と、第１ビームスプリッタ２４０と、投影ユニット２５０と、フィルタ２２０とを備えている。第１反射鏡２１０は、前記光源１００で生成された前記可視光を反射させる。光繊維２３０は、前記第１反射鏡２１０で反射された前記可視光の経路を変更して照射する。第１ビームスプリッタ２４０は、前記光繊維２３０から照射される前記可視光を分割する。投影ユニット２５０は、前記第１ビームスプリッタ２４０で分割された可視光をウェハＷの表面に拡大投影させて入射し、前記ウェハＷの表面で反射された可視光を取出して前記ウェハＷ表面を拡大投影させる。フィルタ２２０は、前記投影ユニット２５０で投影される多様な波長の前記可視光から、単一波長の可視光だけを選別して前記撮像部３００に提供する。

前記第１反射鏡２１０は、可視光を反射させるために使用する鏡であって、ガラスや金属の表面をよく研磨するか、またはそれらの面に銀・アルミニウム・金・硫化亜鉛・ロジウムなどを蒸着させて形成される。第１反射鏡２１０は、面の模様に従い平面を用いた平面鏡と、球面を用いてレンズのような作用を有するようにした凹鏡または凸鏡を含む球面鏡と、放物線状の放物面鏡を含む非球面鏡と、の少なくともいずれかからなる。
前記光繊維２３０は、前記可視光の伝送効率を高めるための目的で形成された繊維模様の導波管であって、光学繊維ともいう。光繊維２３０を何本だけ束ねてケーブルにしたものを光ケーブルといい、前記可視光の光経路を自由に変更するかまたは長距離でも前記可視光の損失を減らすことができ、その使用が増えている。例えば、光繊維２３０は合成樹脂を材料としたものもあるが、主に透明度のよいガラスで作られる。構造はコアの周りを覆っているクラッド（cladding）を有する二重円柱状である。その外部には衝撃から保護するために合成樹脂被膜が数層形成されている。保護被膜を除いた直径は、１００μｍ〜数１００μｍ程度であり、コア部分の屈折率がクラッドの屈折率よりも高くなっている。そのため、前記可視光は、コア部分に集束されて外部に漏れずに進行する。コアの直径が数μｍのものを単一モード光繊維といい、数十μｍのものを多重モード光繊維という。コアの屈折率分布に従いステップインデックスとグレーデッドインデックスとに分けられる。また、光繊維２３０は、外部の電磁波による干渉及び混信などがなく、小形・軽量として屈曲にも強く、外部環境の変化にも強い。このとき、前記光繊維２３０から照射される前記可視光が放射状に分散されることを防止するため、前記第１ビームスプリッタ２４０の方向に前記可視光を集光させる集光レンズ２６０を設けてもよい。

前記第１ビームスプリッタ２４０は、前記光繊維２３０から照射され、前記集光レンズ２６０で集光された前記可視光を、強度に従い少なくとも２つ以上に分離して互いに違う方向に進行させる。例えば、前記第１ビームスプリッタ２４０は、一方向に入射される前記可視光の半分を透過させて平行な方向にそのまま進行させ、残りの半分の前記可視光を垂直な方向に反射して進行させるハフミラーを含んでいる。このとき、前記ハフミラーを通じて透過される可視光のうちの半分は、レファレンスレンズ２５６及びレファレンス反射鏡２５８で反射して前記第１ビームスプリッタ２４０にフィードバックされる。このとき、前記レファレンスレンズ２５６及びレファレンス反射鏡２５８で反射して前記第１ビームスプリッタ２４０にフィードバックされる可視光は、前記ウェハＷに入射され、前期第１ビームスプリッタ２４０に反射される前記可視光に干渉効果を起こすことにより、前記ウェハＷ上に形成された複数個のオーバーレイパターンで反射される前記可視光を増幅させる。反面、前記第１ビームスプリッタ２４０は、前記ウェハＷ上に形成された複数個のオーバーレイパターンで反射され撮像部３００に向って進行する可視光をすべて透過させる。

一方、前記第１ビームスプリッタ２４０を通じて反射される残りの半分の前記可視光は、前記投影ユニット２５０により拡大投影されて前記ウェハＷの表面に入射される。前記投影ユニット２５０は、前記導光ユニットから伝達される前記可視光を縮小させて前記ウェハＷの表面に形成された複数個のオーバーレイパターンに入射させる少なくとも１つ以上のメイン対物レンズ２５２を有している。また、投影ユニット２５０は、前記メイン対物レンズ２５２を通じて前記ウェハＷの表面に入射されて反射される前記可視光を用いて前記複数個のオーバーレイパターンを拡大させる接眼レンズ２５４を有している。

ここで、メイン対物レンズ２５２は、ウェハＷに一番近い側に位置するレンズであり、対物鏡ともいわれる。対物レンズは、物体の拡大された像を結ぶために使用されるレンズであり、前記撮像部３００または作業者の目に接する側に設けられる接眼レンズに対応する。前記メイン対物レンズ２５２は、近い距離にある物体の拡大像を作るもので、いろんな収差を十分に補正するために多くのレンズから構成される。低倍率用の対物レンズは、色収差の厳しい補正を必要としないので色消し対物レンズが使用される。高倍率用の対物レンズには、色収差が十分に補正された高次色消し対物レンズが使用される。前記メイン対物レンズ２５２は、例えば前記複数個のオーバーレイパターンが形成された前記ウェハＷ表面側に設けられた複数個の高次色消し対物レンズによって構成される。前記接眼レンズ２５４は、観察者または前記撮像部３００に近接するレンズであり接眼鏡ともいう。接眼レンズ２５４は、メイン対物レンズ２５２により十字線上にできた像を拡大して見るための装置であり、前記メイン対物レンズ２５２との距離を増減させることにより、前記オーバーレイパターンの像が最も鮮明に見える位置が決定される。このとき、前記投影ユニット２５０を通じて拡大される前記オーバーレイパターンの像は、前記メイン対物レンズ２５２の倍率と前記接眼レンズ２５４の倍率との積により決定される。例えば、前記投影ユニット２５０は、前記ウェハＷ表面を７５０μｍ、１５０μｍ、５０μｍ程度の大きさを拡大投影する倍率を有する。

図６に示すように、前記第１ビームスプリッタ２４０からレファレンス反射鏡２５８までの距離Ｌ２と、前記第１ビームスプリッタ２４０からウェハＷ表面までの距離Ｌ１とが同一または類似である場合、前記第１ビームスプリッタ４０を通じて前記レファレンス反射鏡２５８と前記ウェハＷに分離されて入射された後に反射される前記可視光とが取り合わせられる過程において、互いに補強干渉現象を起こして前記撮像部３００に伝達される。ここで、前記第１ビームスプリッタ２４０からレファレンス反射鏡２５８までの距離Ｌ２は固定された値であり、前記第１ビームスプリッタ２４０の中心から水平方向に前記第１ビームスプリッタ２４０を囲むハウジング２４２までの距離Ｌｒと、前記第１ビームスプリッタ２４０のハウジング２４２から前記レファレンス反射鏡２５８までの距離Ｌｍとを合算して算出される（Ｌ２＝Ｌｒ＋Ｌｍ）。

また、前記第１ビームスプリッタ２４０から前記ウェハＷ表面までの距離Ｌ１は変更される値であり、前記第１ビームスプリッタ２４０から垂直方向に前記第１ビームスプリッタ２４０を囲むハウジング２４２までの距離Ｌａと、前記第１ビームスプリッタ２４０のハウジング２４２からメイン対物レンズ２５２の最末端までの距離Ｌｐと、前記メイン対物レンズ２５２の最末端からウェハＷ表面までの距離Ｌｆとを合算して示される（Ｌ１＝Ｌａ＋Ｌｐ＋Ｌｆ）。前記第１ビームスプリッタ２４０は前記ハウジング２４２の内部で上昇又は下降しながら前記ハウジング２４２までの高さが調節される。例えば、前記第１ビームスプリッタ２４０が移動する距離は“Ｐ”値として示される。前記“Ｐ”値は、０から１０μｍ程度に設定される。このとき、前記レファレンスレンズ２５６及び前記レファレンス反射鏡２５８も前記第１ビームスプリッタ２４０と連動して移動する。また、前記ハウジング２４２と前記メイン対物レンズ２５２の最末端との距離は固定された値である。そして、前記メイン対物レンズ２５２の最末端から前記ウェハＷ表面までの距離は、前記メイン対物レンズ２５２の焦点距離であって、前記メイン対物レンズ２５２を通じて前記ウェハ表面に形成された複数個のオーバーレイパターンの像が正確に結ばれるようにするため前記メイン対物レンズ２５２の仕様に従い決定される距離であるので、一定な常数値に固定される。

光学モジュール２００は、第１ビームスプリッタ２４０からレファレンス反射鏡２５８までの距離と、前記第１ビームスプリッタ２４０からメイン対物レンズ２５２を経てウェハＷの表面までの距離とが互いに同一または類似な場合に優れたオーバーレイ計測がなされる。このとき、前記ウェハＷ表面で反射された前記可視光は、前記第１ビームスプリッタ２４０で前記第２反射鏡から反射された可視光と併合されて前記接眼レンズ２５４にむかって反射される。図示されていないが、前記接眼レンズ２５４と前記撮像部３００との間に前記可視光を所定の強度に従い分離させる第２ビームスプリッタと、前記第２ビームスプリッタから分離された所定の可視光の強度または強さを検出する検出部とを設けてもよい。前記第２ビームスプリッタは、前記撮像部３００に隣接する鏡筒の内部に形成されて前記可視光を分離させる。例えば、前記第２ビームスプリッタは、前記第１ビームスプリッタ２４０と同一または類似の原理で前記可視光を強さに従い分離させて一部の可視光を前記撮像部３００に進行させ、残りの可視光を前記検出部に反射させる。また、前記検出部は、前記第２ビームスプリッタで入射される可視光を検出する光センサであって、前記撮像部３００に入射される可視光の強度または強さを認識する。このとき、前記光源１００で所定強度または強さで供給される前記可視光は、前記フィルタ２２０で選別されて前記ウェハＷ表面に入射された後、前記ウェハＷ表面で反射されながら波長または周波数がほとんど変更されない反面、強度または強さが急激に減少する。従って、前記検出部は、前記可視光の強度または強さに対応する前記可視光の振幅だけを検出し、前記撮像部３００で撮像する可視光の強度または強さを測定する。このとき、前記制御部６００は、前記可視光の強度または強さが高いかまたは低い場合、前記光源１００に供給する電源電圧を制御して前記可視光の強さまたは強度を調節する。

前記フィルタ２２０は、前記接眼レンズ２５４を通じて多様な波長を有する前記可視光が照射されると、前記可視光のうちの単一の波長だけを選別して前記撮像部３００に供給する装置である。前記フィルタ２２０は、前記可視光を含む電磁波を波長に従い選別して特定波長の電磁波だけを透過させる作用をするものであって、可視光の場合に色フィルタと称される。例えば、色フィルタは色染料を含むガラス、ゼラチン、プラスティックなどで製造され、幾つかの色フィルタを用いると、帯域フィルタのような狭い領域の光透過領域を作ることができる。色フィルタの種類はゼラチンフィルタ、ガラスフィルタ、プラスティックフィルタなどがある。ゼラチンフィルタは長い間広く使用されたフィルタで、動植物の蛋白質から抽出された染料からなるフィルタである。ガラスフィルタは耐熱性ガラスに色相を着色したもので、スライドガラスフィルタともいわれ、退色しにくく、汚れた場合には拭いで使用できるとの長所があるものの、重くて破損しやすいとの短所もある。最後に、プラスティックフィルタは透過率もよく、着色が自由にできて最近では色フィルタの主力をなしている。このとき、可視光は、約７０００Å〜約４０００Å程度の波長を有する電磁波として、赤、橙、黄、緑、青、藍、菫のような虹の色を有する光が混合された白色光である。そこで、前記フィルタは、多様な種類の波長を有する白色の可視光から単一の波長の可視光を選別して前記ウェハＷの表面に入射させる。このとき、前記フィルタ２２０は、約７０００Å〜約４０００Å程度の多様な波長を有する前記可視光に対しいずれ１つの単一波長の可視光が選別されるように、前記制御部６００で出力される制御信号に応じてスキャニングされる。例えば、前記フィルタ２２０は、前記制御部６００で出力される制御信号に従い往復移動しながら多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一の波長帯域の可視光を選別し、前記第１ビームスプリッタ２４０へ方向に入射させる。また、前記フィルタ２０は、前記制御部６００で出力される制御信号に応じて一方向に回転されながら、多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一の波長帯域の可視光を選別して前記第１ビームスプリッタ２４０の方向に入射させる。

本発明の第２実施例によるオーバーレイ計測装置は、光源１００で生成されて多様な波長を有する可視光を複数個のオーバーレイパターンの形成されたウェハＷに入射させ、前記ウェハＷに反射される前記可視光を単一の波長に選別して撮像部３００で撮像できるようにする。このとき、多様な波長を有する可視光がウェハＷ表面に入射され、所定の波長を有する前記可視光が回折または散乱することによって前記複数個のオーバーレイパターンの像を正常に現すことができなくても、前記フィルタ２２０は回折または散乱した所定の波長を有する前記可視光を除去し、回折または散乱しない波長を有する前記可視光だけを選別して前記撮像部３００に伝達させることができる。

つまり、本発明の第１実施例では複数個のオーバーレイパターンに入射される可視光のうち特定単位波長を有する可視光を選別するように形成されているのに対し、本発明の第２実施例では多様な波長を有する可視光が先に複数個のオーバーレイパターンに入射された後、前記複数個のオーバーレイパターンで反射される前記可視光のうち特定単位波長を有する可視光を選別するように形成される。

前記撮像部３００は、前記ウェハＷ表面で反射されて前記メイン対物レンズ２５２と接眼レンズ２５４により拡大投影された前記複数個のオーバーレイパターンのイメージを取得するように形成される。このとき、前記撮像部３００は、前記メイン対物レンズ２５２及び前記接眼レンズ２５４の焦点で前記複数個のオーバーレイパターンイメージを取得することができる。例えば、前記撮像部３００は、前記複数個のオーバーレイパターンのイメージのような情報を検知して電気的な映像信号に変換するイメージセンサからなる。前記イメージセンサは、撮像管と固体撮像素子とに大きく分けられ、前者にはビジコン、プランビコンなどがあり、後者には相補性金属酸化物半導体型イメージセンサ、電荷結合素子型イメージセンサなどがある。ここで、前記撮像管は、価額が低廉で且つ寿命が長いとの長所があるが、解像度が低くてオーバーレイ計測で使用されることができない。前記固体撮像素子は、半導体化され集積化された撮像素子であって、前記撮像管に対応して撮像板ともいわれる。前記固体撮像素子は、前記可視光が入射される半導体基板上に光電変換と電荷の蓄積機能を有する２次元的に配列された画素群（特別なものとしては１次元的なものもある）と画素に蓄積された電荷像を一定な順序に従い読み取る走査機能とを合わせて一体的な構造となるように固体化したものである。このとき、前記半導体基板は、ほとんど単結晶シリコン基板であり、前記画素は前記半導体基板上にマトリックス配列される。前記固体撮像素子は、前記電荷像の最小構成単位の画素電荷量の走査方式に従い順に読取られて出力信号電流を生成する。前記固体撮像素子は、光電変換−蓄積−走査（読取り）が必須機能であり、方式は構造的に１つずつ分離独立された画素を走査信号発生器を通じて各画素を順に伝送して読取る電荷伝送が基本方式である。このとき、前記可視光を受光する受光部の信号伝送に金属酸化物半導体トランジスタを使用したものを相補性金属酸化物半導体イメージセンサといい、電荷結合素子を使用したものを電荷結合素子型イメージセンサという。

前記相補性金属酸化物半導体型イメージセンサは、半導体酸化皮膜を用いた単極電解効果型の能動素子のＭＯＳトランジスタを基本構成素子とする集積回路構造を有した低消費電力型の撮像素子である。また、前記相補性金属酸化物半導体イメージセンサは、インバータ回路にｐ−チャンネルトランジスタとｎ−チャンネルトランジスタをともに構成することにより、動作速度（演算速度）は遅いが、消費電力が非常に少なく半導体、ポケット計算機及び手首時計などの携帯用製品に多く応用されている。そして、その使用範囲が広くなるに従い、オーバーレイ計測装置でもまた実用度が高くなっている。

反面、前記電荷結合素子型イメージセンサは、半導体薄膜と表面に設置した多数の電極を主体としてなるダイオードまたは抵抗のような手動素子を基本構成とした集積回路から構成される。前記電荷結合素子は、１９７０年米国のベル研究所で発表した半導体素子であり、ｎ型の半導体基板の表面に０．１ｍ程度厚さの絶縁層を形成し金属電極を配列し、この金属電極の電圧を制御することにより、半導体表面の低い部分を左右に移動させて蓄積された電荷をこれに合わせて順に伝送させることができるので、シフトレジスタ及び記憶装置に応用される。前記電荷結合素子は、金属酸化物半導体トランジスタと類似の単純な構造の素子であって、電荷の蓄積による記憶と電荷の移動による伝送との２つの機能を有していて高集積化が可能である。電荷結合素子は、電荷の大きさによるアナログ量の記憶伝送が可能なので、ＴＶカメラの映像回路、映像記憶装置に対する応用化が進んでいる。その後に２００万画素の製品も高解像用として登場した。前記電荷結合素子は、現在デジタルカメラ及び多くの種類のビデオカメラをはじめとして日常生活だけでなく、高解像度を求める産業現場でも多く使用されている。

前記撮像部３００は、電荷結合素子イメージセンサまたは相補性金属酸化物半導体イメージセンサを用いて光学モジュール２００により拡大投影された複数個のオーバーレイパターンを撮像して高解像度のデジタル信号の映像信号として取得する。このとき、前記撮像部３００は、前記フィルタ２２０で単一波長を有するように選別された可視光に対応して複数個の映像信号を取得する。例えば、前記フィルタ２２０で約７０００Å程度の波長を有する赤色系列の可視光が選別される場合、前記赤色系列の可視光により現れる前記ウェハＷ表面の複数個のオーバーレイパターンが含まれる映像信号を出力する。また、前記フィルタ２２０で約５０００Å程度の青色系列の可視光が選別される場合、前記青色系列の可視光により現れる複数個のオーバーレイパターンの含まれる映像信号を出力する。

前記データベース４００は、前記撮像部３００で出力される前記映像信号を入力されて前記複数個のオーバーレイパターンの現れる前記複数個のイメージを順に蓄積する。前記データベース４００は、一般的に共有されて使用される目的で統合管理される情報の集合を通称するものであって、前記複数個のオーバーレイパターンの現れる複数個のイメージのように類似であるかまたは論理的に連関された１つ以上の資料でその内容を高度に組織化することにより、検索と更新の効率化を図ることができる。即ち、幾つかの資料ファイルを組織的に統合して資料項目の重複をなくし、資料を構造化して記憶させておいた資料の集合体である。データベース４００が有するいくつかの特性を説明することにより、その特所を明確にすることができる。まず、第一に、いくら類似な場合でも同じ重複資料として認識して蓄積せず、第二に、コンピューターのような電算処理装置がアクセスして処理可能な蓄積装置として順に記録可能であり、第三に、ある組織の機能を行うに必須で、存在目的が明らかで且つ有用性のある運営資料なので、臨時で必要として集めておいたデータや単純な入出力資料の重要性を超えて複数個のイメージで現れる前記複数個のオーバーレイパターンを互いに比較することができる。また、前記データベース４００は、前記撮像部３００で撮像される前記オーバーレイパターンイメージが前記フィルタ２２０で特定の単一波長帯域の可視光により投影されたかを前記選択部５００で判断するため、前記フィルタ２２０を通じて前記可視光が所定の色相を有するように選別される前記可視光の単一波長に対する情報を前記制御部６００から入力されて前記撮像部３００で出力される映像信号とともに蓄積する。

前記選択部５００は、前記データベース４００に蓄積された映像信号を用いて複数個のイメージでそれぞれ複数個のオーバーレイパターンを現す。また、各イメージで現れる複数個のオーバーレイパターンを相互に比較して最も鮮明度の高いオーバーレイパターンが現れるイメージを選択する。ここで、前記複数個のオーバーレイパターンは、図７に示すように先行される工程により前記ウェハＷ上に先に形成された主尺１３０と、後続の工程のために前記主尺１３０の内部に形成されるかまたは前記主尺１３０の外郭を囲むように形成された副尺１４０を含んでいる。例えば、前記主尺１３０は、先行される単位工程により前記ウェハＷ表面から所定の段差を有し正方形の外郭を囲む複数個のバー形状に形成され、前記副尺１４０は、後続の単位工程により前記主尺１３０の内部に前記主尺１３０よりも一辺の長さが小さい正方形に形成される。図８に示したように、前記主尺１３０は、シリコン酸化膜のような層間絶縁膜、または導電性不純物のドーピングされたポリシリコン膜のような導電層の第１薄膜１０２上に所定線幅を有するトレンチ１５０または陽刻の前記バー形状に形成される。ここで、前記単位工程は、ウェハＷまたは前記ウェハＷ上に形成された第１薄膜１０２上にフォトレジストパターンを形成する写真工程と、前記写真工程で形成された前記フォトレジストパターンにより露出される前記ウェハＷまたは前記ウェハＷ上に形成される第１薄膜１０２を除去してトレンチ１５０または陽刻を形成する食刻工程と、前記ウェハＷまたは前記ウェハＷ上に形成された前記フォトレジストパターンを除去するエッチング工程と、を含んでいる。その後、前記主尺１３０が形成されたウェハＷの全面に、所定厚さを有する層間絶縁膜と導電性を有する金属層からなる第２薄膜１０４を形成し、前記第２薄膜１０４上に所定厚さのフォトレジスト１０６が形成され、前記主尺１３０の内部に前記正方形にパターニングされたフォトレジスト１０６からなる副尺１４０が形成される。例えば、前記トレンチ１５０の幅と同一または類似の波長を有する前記可視光は、回折または散乱されて前記主尺１３０の映像を歪曲させる。このとき、前記トレンチ１５０の幅に比べ顕著に短い波長を有する前記可視光は、前記トレンチ１５０の底に入射され反射される過程において回折または散乱せずに前記メイン対物レンズ２５２を通じて拡大投影される前記主尺１３０の像を現す。例えば、前記可視光の回折または散乱は可視光の波長に従って増加し、前記主尺１３０の線幅の大きさに反比例して増加されるのが一般的である。即ち、前記可視光の波長が大きければ大きいほど前記可視光の回折または散乱が多く起こり、前記主尺１３０の線幅が小さくなるほど回折または散乱がさらに多く生じる。従って、前記可視光の波長を小さくし、前記主尺１３０の線幅を大きくして、前記可視光の回折または散乱を減らすことができる。しかし、前記可視光の波長が紫外線光領域まで短くなると、前記副尺１４０のフォトレジスト１０６を感光させて化学的組成を変化させ、後続する工程で前記フォトレジスト１０６を食刻マスクとして使用するマスク工程において前記フォトレジスト１０６が損傷されて食刻不良が発生する。また、前記主尺１３０の線幅を大きく形成する場合、ウェハＷの活性領域またはセル領域に形成される微細パターンの大きさと異なり、オーバーレイ補正値の算出が困難になるおそれがある。そこで、前記選択部５００は、多様な波長帯の可視光を用いて前記撮像部３００で取得された複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、前記主尺１３０のイメージを互いに比較して前記主尺１３０のイメージが最も優れた１つのオーバーレイパターンイメージを選別する。前記選択部５００は、複数個のオーバーレイパターンイメージが互いに異なった色相を有する場合、前記主尺１３０のイメージを互いに比較するのが難しいため、前記主尺１３０のイメージを含む全体のオーバーレイパターンイメージを白黒に処理する。そして、前記複数個のイメージ間の前記主尺１３０のイメージを互いに比較する。このとき、前記フィルタ２２０で選別される単一波長を有する可視光を白黒フィルタで白黒処理して前記撮像部３００で撮像することができるが、前記選択部５００で白黒に処理するのが好ましい。前記選択部５００は、１つの前記主尺１３０のイメージが現れる前記オーバーレイパターンイメージに対し前記可視光の強さに従い白黒処理させることができる。

前記選択部５００は、前記複数個のイメージで前記主尺１３０のイメージを互いにオーバーラップさせながら前記主尺１３０のイメージが最も良好に現れたイメージの１つを選別する。そこで、選択部５００は、多様な波長を有する可視光を用いて取得した複数個のイメージで前記可視光の回折または散乱により主尺１３０のイメージが損傷されて現れても、前記複数個のイメージに現れた主尺１３０のイメージを互いに比較して、前記可視光の回折または散乱が発生しないかまたは最小化されて取得された優秀な主尺１３０のイメージを含む少なくとも１つ以上のイメージを選択することができる。また、前記選択部５００は、オーバーレイパターンイメージを前記撮像部３００で撮像するために使用される可視光の特定単位波長帯域を含む情報を取得して前記制御部６００に出力する。

前記制御部６００は、前記光学モジュール２００の前記フィルタ２２０で選別される前記可視光の単一波長帯域に対する情報を、前記フィルタ２２０から入手し前記データベース４００に出力する。また、前記制御部６００は、前記選択部５００で選択されるオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用される前記可視光の該当単位波長帯域を含む情報を前記選択部５００から入手し、前記フィルタ２２０で前記該当単位波長帯域の前記可視光を選別してオーバーレイ計測を行うように前記フィルタ２２０を制御する制御信号を出力する。例えば、前記制御部６００は、前記フィルタ２２０を直線上に往復移動させながら複数個の単位波長帯域の可視光を選別したり、一方向に回転させながら複数個の単位波長帯域の可視光を選別するように前記制御信号を出力する。

前記判読部７００は、前記選択部５００で選択された前記主尺１３０イメージの中心位置と、前記副尺１４０イメージの中心位置とのずれの大きさを計測してオーバーレイ補正値を算出する。前記判読部７００は、例えば前記主尺１３０イメージをＸ軸とＹ軸にそれぞれ分け、前記Ｘ軸方向に垂直な複数個のバー間の中心位置と、前記Ｙ軸方向に垂直な複数個のバー間の中心位置とをそれぞれ計算してＸ軸方向及びＹ軸方向に前記主尺１３０イメージの中心位置を導出する。同様に、前記判読部７００は、前記副尺１４０で正方形の対応する両側辺をＸ軸及びＹ軸の方向に分けてそれぞれの中心位置を求めた後、前記副尺１４０の中心位置を導出する。従って、前記判読部７００は、復元された前記主尺１３０イメージの中心位置と前記副尺１４０の中心位置とを比較してオーバーレイ補正値を算出する。このとき、前記オーバーレイ補正値は、前記主尺１３０を基準に前記副尺１４０のＸ軸またはＹ軸方向のずれの大きさを意味する。例えば、前記主尺１３０イメージの中心位置と前記副尺１４０の中心位置とが互いに一致する場合、前記判読部７００で前記オーバーレイ補正値は‘０’と算出される。また、前記オーバーレイ補正値は、前記ウェハＷ上に形成された多数個の主尺１３０と前記主尺１３０に隣接して形成された多数個の副尺１４０とのそれぞれの位置差を計算し、再度各位置の差を平均として算出してもよい。

以上のように、本発明の第２実施例によるオーバーレイ計測装置は、光源１００で多様な波長を有するように生成された可視光が複数個のオーバーレイパターンを投影させた後に単一波長に選別されるように形成された光学モジュール２００と、前記光学モジュール２００で投影される複数個のオーバーレイパターンを可視光の単一波長に従い複数個のイメージを撮像する撮像部３００と、前記撮像部３００で撮像された前記複数個のイメージで互いに比較優位の鮮明度を有する１つのイメージを選択する選択部５００と、前記選択部５００で選択されたオーバーレイパターンイメージを取得するために使用される可視光の単一波長帯域に対する情報を用いて前記光学モジュール２００で前記オーバーレイパターンが特定色相を有して投影されるように前記光学モジュールに制御信号を出力する制御部６００と、を備えている。したがって、前記オーバーレイパターンで特定波長を有する可視光が回折または散乱されて誘発されるオーバーレイ計測不良を防止することにより、生産収率を増大または極大化することができる。

（オーバーレイ計測方法）
以下、このように構成された本発明の第１実施例及び第２実施例によるオーバーレイ計測装置を用いたオーバーレイ計測方法を説明する。
図９は本発明のオーバーレイ計測方法を示すフローチャートである。
図９に示すように、オーバーレイ計測方法では、前記ウェハステージＷＳのチャック上で前記ウェハＷに形成されたフラットゾーンまたはノッチが一方向に整列されると、前記光学モジュール２００を通して前記ウェハＷに形成された所定のオーバーレイパターンを拡大投影する（Ｓ１０）。このとき、前記ウェハＷの整列が完了されると、前記ウェハＷの中心位置が決定され、前記光学モジュール２００は前記ウェハＷの中心位置で設定された距離に形成されたオーバーレイパターンを投影する。ここで、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記ウェハＷの中心位置で前記オーバーレイパターンを拡大投影する。
まず、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記ウェハＷの中心位置から一定距離にあるチップの中心位置（ショット中心）に焦点を移動させて前記チップの全体または一部を拡大させる。例えば、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、チップパターンを約１２ｍｍ程度の大きさとなる倍率で拡大投影する。
次いで、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記チップの中心位置で前記チップの縁部位の設定位置座標に形成された第１整列マークに焦点を移動させて前記第１整列マークを拡大投影する。例えば、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記第１整列マークを約７５０μｍ程度の大きさとなる倍率に拡大投影させる。また、前記第１整列マークは、前記チップの角部で‘┌’‘┐’‘└’‘┘’模様を有して形成される。前記第１整列マークに対応される前記設定位置座標は、一般に前記チップのパターン内で最も優れたイメージが取得される整列マークでの位置であり、作業者により任意で表示されるかまたは選択されることができる。
この後、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記第１整列マークに隣接する位置座標（ショット基準点）に形成された第２整列マークに焦点を移動する。例えば、前記第２整列マークは、前記チップの角部に形成された前記第１整列マークに隣接して十字形状を有するように形成される。このとき、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記第１整列マークと前記第２整列マークとを同一または類似の倍率まで拡大投影させる。
最後に、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記第２整列マークと一定の距離に形成されたオーバーレイパターンに焦点を移動させ、前記オーバーレイパターンを拡大投影させる。例えば、前記光学モジュール２００のメイン対物レンズ２５２は、前記オーバーレイパターンを約５０μｍ程度の大きさとなる倍率に拡大投影させる。このとき、前記光学モジュール２００は、前記オーバーレイパターンの形成されたウェハＷの表面に前記入射光を入射させ、前記ウェハＷ表面で反射された反射光を前記撮像部３００に投影させる。
上述のように、本発明の第１実施例及び第２実施例によるオーバーレイ計測装置の光学モジュール２００を用いて複数個のオーバーレイパターンを投影させることができる。まず、光源１００で供給される多様な波長を有する白色の可視光から単一波長を有する所定色相の可視光を選別して前記複数個のオーバーレイパターンに入射し、前記単一波長の可視光により投影される複数個のオーバーレイパターンを撮像部３００で撮像する場合、前記撮像部３００で撮像される複数個のオーバーレイパターンイメージは前記可視光の波長に従い互いに異なった色相で取得される。同様に、前記複数個のオーバーレイパターンに入射される多様な波長を有する白色の可視光を複数個のオーバーレイパターンに入射し前記複数個のオーバーレイパターンを投影させる白色の可視光から単一波長を有する所定の色相の可視光を選別して複数個のオーバーレイパターンを撮像部３００で撮像する場合、前記撮像部３００で撮像される複数個のオーバーレイパターンイメージは前記可視光の波長に従い互いに異なった色相で取得される。そこで、オーバーレイ計測方法では、オーバーレイパターンに入射される前に白色の可視光を単一波長を有する所定色相の可視光に選別するか、または前記オーバーレイパターンに入射されて反射される白色の可視光から単一波長を有する所定色相の可視光を選別して、前記撮像部３００で前記可視光の色相または波長に従い前記複数個のオーバーレイパターンの現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを取得する（Ｓ２０）。このとき、前記撮像部３００は、所定の解像度で前記オーバーレイパターンで反射される反射光を撮影してオーバーレイパターン映像を取得する。例えば、前記撮像部３００は、約２００万画素以上の解像度を有する前記複数個のオーバーレイパターン映像を取得する。

次いで、前記撮像部３００で撮像されて出力された映像信号は、前記データベース４００に順に蓄積される（Ｓ３０）。ここで、前記映像信号は、前記撮像部３００で撮像されるオーバーレイパターンイメージの情報を所定の形式に従い出力され、前記データベース４００に前記オーバーレイパターンイメージの１つに対応される基準に従い蓄積される。また、前記制御部６００は、前記光学モジュール２００のフィルタ２２０で選別される前記可視光の色相または波長に対する情報を取得し、前記撮像部３００で撮像されて出力される前記映像信号とともに前記可視光の色相または波長に対する情報を前記データベース４００に入力する。例えば、主尺１３０及び副尺１４０からなる前記複数個のオーバーレイパターンに対しオーバーレイ補正値を算出する場合、前記複数個のオーバーレイパターンに対し７種類程度の単一波長の可視光を用いて照射し、照射された可視光に基づいて前記複数個のオーバーレイパターンが現れる７種類のイメージに対応する映像信号を前記データベース４００に順に蓄積する。

次いで、前記データベース４００に複数個のオーバーレイパターンの現れる複数個のイメージに対応する映像信号の蓄積が完了すると、前記制御部６００は前記データベース４００に蓄積された前記映像信号を用いて前記複数個のオーバーレイパターンイメージを前記表示部に表示する（Ｓ４０）。ここで、前記制御部６００は、複数個のオーバーレイパターンイメージの現れる複数個のイメージを一列に並べるか、または前記複数個のオーバーレイパターンイメージで現れる複数個のオーバーレイパターンをオーバーラップさせて前記選択部５００で互いに比較可能とする。
前記選択部５００は、各イメージで現れる複数個のオーバーレイパターンを相互に比較して最も鮮明度が高い複数個のオーバーレイパターンが現れるイメージを選択する（Ｓ５０）。例えば、前記選択部５００で比較される副尺１４０のイメージの場合、前記可視光が前記メイン対物レンズ２５２に近接して空気中に露出し、フォトレジスト１０６の断面に入射されて計測されることにより、前記可視光の波長による影響を受けないので、優れたオーバーレイ計測をすることができる。反面、前記主尺１３０イメージの場合、前記可視光が空気と第２薄膜１０４を透過して前記イメージに反射されて計測され、陽刻または陰刻のようなトレンチ１５０に対応されるスリットを通過しながら前記スリットと類似であるかまたは近接した波長を有する前記可視光の帯域で回折または散乱が誘発される。そのため、前記主尺１３０イメージが現れないこともある。このとき、前記光学モジュール２００は前記主尺１３０に入射されて前記主尺１３０を投影させる可視光が回折または散乱されずに前記主尺１３０が鮮明に投影される特定帯域の単一波長を有する可視光だけを選別して、前記撮像部３００でオーバーレイパターンが撮像されるようにする。また、前記制御部６００は、前記選択部５００で選択されるオーバーレイパターンイメージが取得された前記光学モジュール２００での可視光波長帯域に対する情報を取得して（Ｓ６０）、以後のオーバーレイ計測のときに当該波長の可視光を用いてオーバーレイ計測を行うようにする。

本発明によるオーバーレイ計測方法は、互いに異なった単一波長を有する可視光を用いて複数個のオーバーレイパターンイメージを取得し、前記複数個のオーバーレイパターンイメージで比較して優位の鮮明度を有するオーバーレイパターンの現れるオーバーレイパターンイメージを選択する。そして、特定単一波長を有する可視光が回折または散乱されて誘発されるオーバーレイ計測不良を防止することにより、生産収率を増大または極大化することができる。

最後に、前記判読部７００において、前記オーバーレイパターンイメージに現れる前記主尺１３０イメージの中心位置と前記副尺１４０イメージの中心位置とが互いに比較されてオーバーレイ補正値が算出される（７０））。上述のように、前記判読部７００は、前記選択部５００で選択された前記オーバーレイパターンイメージに現れる前記主尺１３０イメージをＸ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ分け、前記Ｘ軸方向に垂直な複数個のバー間の中心位置と、前記Ｙ軸方向に垂直な複数個のバー間の中心位置とをそれぞれ計算することにより、前記主尺１３０イメージの中心位置を算出する。また、前記判読部７００は、前記副尺１４０イメージで正方形の対応される両側辺をＸ軸とＹ軸方向とにそれぞれ分けて中心位置を求めることにより、前記副尺１４０イメージの中心位置を算出する。前記主尺１３０のイメージの中心位置と前記副尺１４０のイメージの中心位置とが互いに一致することが好ましい。しかし、ウェハＷの精密な整列誤差または写真工程の条件に従い前記主尺１３０の中心位置と前記副尺１４０の中心位置とは、所定の距離だけずれてもよい。従って、前記判読部７００は、前記主尺１３０イメージの中心位置と前記副尺１４０イメージの中心位置とを比較してオーバーレイ補正値を算出する。また、前記オーバーレイ補正値は、前記ウェハＷ上に形成された多数個の主尺１３０と、前記主尺１３０の内部または前記主尺１３０に隣接して形成された多数個の副尺１４０とのそれぞれの位置差を計算し、再度各位置差を平均を出して算出してもよい。そして、前記判読部７００は、露光設備に前記オーバーレイ補正値を出力して後続の写真工程で設定された位置でフォトレジストパターンを正確に形成する。

以上のように、本発明によるオーバーレイ計測方法は、相互に異なった単一波長を有する可視光を用いて複数個のオーバーレイパターンイメージを取得し、前記複数個のオーバーレイパターンイメージで比較して優位な鮮明度を有するオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択し、前記オーバーレイパターンイメージが選択される単一波長の可視光を用いて後続工程で優れたオーバーレイ計測工程を行っている。これにより、前記可視光が回折または散乱されて誘発されるオーバーレイ計測不良が防止され、生産収率を増大または極大化することができる。

上述の実施例の説明は本発明のもっと徹底した理解を提供するために図面を参照にして挙げたものに過ぎないため、本発明を限定する意味として解釈されてはいけない。そして、本発明の技術分野で通常の知識を有したものにとって本発明の基本的原理を外れない範囲内で多様な変化と変更が可能なのは勿論のことである。例えば、本発明の第１実施例と第２実施例によるオーバーレイ計測装置においてそれぞれの光学モジュールのフィルタは多様な種類の波長を有する白色の可視光で単一波長を有する可視光を選別して複数個のオーバーレイパターンに入射するか、または前記複数個のオーバーレイパターンに入射されて反射される多様な種類の波長を有する白色の可視光のうち単一波長を有する可視光だけを選別するように形成されているため、特定単一波長を有する可視光を用いて取得されるオーバーレイパターンイメージが互いに同一に現れることができるが、回折または散乱によりオーバーレイパターン計測方法が互いに違ってくることができる。即ち、本発明の第１実施例と第２実施例によるオーバーレイ計測装置におけるフィルタは位置に従い複数個のオーバーレイパターンに入射されるか、或いは複数個のオーバーレイパターンで反射される多様な種類の波長を有する可視光のうち単一波長を有する可視光を選別するように形成されているため、前記複数個のオーバーレイパターンを計測する方法が違ってくることができる。

本発明の第１実施例によるオーバーレイ計測装置を概略的に示すダイアグラムである。図１の光学モジュールを示す構成断面図である。オーバーレイパターンの平面図である。図３のＩ−Ｉ’線にそって切取って示した断面図である。本発明の第２実施例によるオーバーレイ計測装置を概略的に示したダイアグラムである。図５の光学モジュールを詳しく示した構成断面図である。オーバーレイパターンの平面図である。図７のII−II’にそって切取って示した断面図である。本発明のオーバーレイ計測方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１００：光源、２００：光学モジュール、３００：撮像部、４００：データベース、５００：選択部、６００：制御部、７００：判読部

Claims

多様な種類の波長を有する可視光を生成する光源と、
前記光源で生成された前記可視光から単一波長を選別して複数個のオーバーレイパターンに入射し、前記複数個のオーバーレイパターンで反射される前記可視光を用いて前記オーバーレイパターンを所定の色相を有して投影する光学モジュールと、
前記光学モジュールで前記可視光の単一波長帯域に従い前記複数個のオーバーレイパターンの現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを撮像して前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応される映像信号が入力される撮像部と、
前記撮像部で入力された映像信号を順に蓄積するデータベースと、
前記データベースに蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる前記複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、比較的優位の鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンが現れるオーバーレイパターンイメージを選択する選択部と、
前記選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用される前記可視光の単一波長帯域に対する情報を用いて前記光学モジュールで前記オーバーレイパターンが特定色相を有して投影されるように前記光学モジュールに制御信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とするオーバーレイ計測装置。
前記選択部で選択された前記オーバーレイパターンイメージで現れる前記複数個のオーバーレイパターンのずれの大きさを判読する判読部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のオーバーレイ計測装置。
前記データベースに蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを表示し、前記選択部で選択された前記オーバーレイパターンイメージを表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のオーバーレイ計測装置。
前記光学モジュールは、
前記光源で生成された前記可視光を反射させる第１反射鏡と、
多様な種類の波長を有する前記可視光をフィルターリングして単一波長の可視光を選別する形成されたフィルタと、
前記フィルタでフィルターリングされた前記可視光の経路を変更して出射する光繊維と、
前記光繊維で出射される前記可視光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割された可視光をウェハの表面に拡大投影させて入射し、前記ウェハの表面で反射された可視光を取出して前記撮像部に拡大投影させる投影ユニットと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のオーバーレイ計測装置。
前記フィルタは、前記制御部で出力される制御信号に従い往復直線移動されながら多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一の波長帯域の可視光を選別することを特徴とする請求項４に記載のオーバーレイ計測装置。
前記フィルタは、前記制御部で出力される制御信号に従い一方向に回転されながら多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一の波長帯域の可視光を選別することを特徴とする請求項４に記載のオーバーレイ計測装置。
前記ビームスプリッタは、ハーフミラーを有することを特徴とする請求項４に記載のオーバーレイ計測装置。
前記投影ユニットは、
前記可視光を前記ウェハの表面に形成された複数個のオーバーレイパターンに入射させるメイン対物レンズと、
前記メイン対物レンズを通じて前記ウェハ表面のオーバーレイパターンに入射されて反射される前記可視光を用いて前記複数個のオーバーレイパターンを拡大投影させる接眼レンズと、
を有することを特徴とする請求項４に記載のオーバーレイ計測装置。
前記メイン対物レンズは、高次色消し対物レンズを有することを特徴とする請求項８に記載のオーバーレイ計測装置。
前記制御部は、前記光学モジュールで選別される前記可視光の単一の波長帯域に対する情報が前記フィルタから伝達されて前記データベースに入力することを特徴とする請求項１に記載のオーバーレイ計測装置。
前記選択部は、前記複数個のオーバーレイパターンイメージを通じて白黒処理して比較的優位な鮮明度を有するオーバーレイパターンの現れる１つのオーバーレイパターンイメージを選択することを特徴とする請求項１に記載のオーバーレイ計測装置。
前記選択部は、前記オーバーレイパターンイメージに対し所定の色相を有する前記可視光の強さに従い白黒処理することを特徴とする請求項１１に記載のオーバーレイ計測装置。
多様な種類の波長を有する可視光を生成する光源と、
前記光源で生成された前記可視光をオーバーレイパターンに入射し、前記オーバーレイパターンで反射されて投影される前記可視光の単一の波長を選別して、前記オーバーレイパターンを所定の色相を有して投影する光学モジュールと、
前記光学モジュールで前記可視光の単一の波長帯域に従い前記複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを撮像して前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応される映像信号が入力される撮像部と、
前記撮像部で入力された映像信号を順に蓄積するデータベースと、
前記データベースに蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンが現れる複数個のオーバーレイパターンイメージのうち、比較的優位の鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンの現れるオーバーレイパターンイメージを選択する選択部と、
前記選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを投影させるために使用される前記可視光の単一波長帯域に対する情報を用いて前記光学モジュールで前記オーバーレイパターンが特定色相を有して投影されるように前記光学モジュールに制御信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とするオーバーレイ計測装置。
前記選択部で選択された前記オーバーレイパターンイメージで現れる前記複数個のオーバーレイパターンのずれの大きさを判読する判読部をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のオーバーレイ計測装置。
前記データベースに蓄積された映像信号を用いて複数個のオーバーレイパターンの現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを表示し、前記選択部で選択された前記オーバーレイパターンイメージを表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のオーバーレイ計測装置。
前記光学モジュールは、
前記光源で生成された前記可視光を反射させる反射鏡と、
前記反射鏡で反射される前記可視光の経路を変更して出射する光繊維と、
前記光繊維で出射される前記可視光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割された可視光をウェハの表面に拡大投影させて入射し、前記ウェハの表面で反射された可視光を取出して前記ウェハ表面を拡大投影させる投影ユニットと、
前記投影ユニットで投影される多様な波長の前記可視光を単一の波長の可視光として選別して前記撮像部に印可させるように形成されたフィルタと、
を有することを特徴とする請求項１３に記載のオーバーレイ計測装置。
前記フィルタは、前記制御部で出力される制御信号に従い往復直線移動されながら多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一の波長帯域の可視光を選別することを特徴とする請求項１６に記載のオーバーレイ計測装置。
前記フィルタは、前記制御部で出力される制御信号に従い一方向に回転されながら多様な波長を有する白色の前記可視光からそれぞれの色相を有する単一の波長帯域の可視光を選別することを特徴とする請求項１６に記載のオーバーレイ計測装置。
前記ビームスプリッタは、ハーフミラーを有することを特徴とする請求項１６に記載のオーバーレイ計測装置。
前記投影ユニットは、
前記可視光を前記ウェハの表面に形成された複数個のオーバーレイパターンに入射させるメイン対物レンズと、
前記メイン対物レンズを通じて前記ウェハ表面のオーバーレイパターンに入射されて反射される前記可視光を用いて前記複数個のオーバーレイパターンを拡大投影させる接眼レンズと、
を有することを特徴とする請求項１６に記載のオーバーレイ計測装置。
前記メイン対物レンズは、高次色消し対物レンズを有することを特徴とする請求項２０に記載のオーバーレイ計測装置。
前記制御部は、前記光学モジュールで選別される前記可視光の単一の波長帯域に対する情報が前記フィルタから伝達されて前記データベースに入力することを特徴とする請求項１３に記載のオーバーレイ計測装置。
前記選択部は、前記複数個のオーバーレイパターンイメージを黒白処理して比較的優位な鮮明度を有するオーバーレイパターンの現れる１つのオーバーレイパターンイメージを選択することを特徴とする請求項１３に記載のオーバーレイ計測装置。
前記選択部は、前記オーバーレイパターンイメージに対し所定の色相を有する前記可視光の強さに従い白黒処理することを特徴とする請求項１３に記載のオーバーレイ計測装置。
複数個のオーバーレイパターンを投影させるために使用される可視光の単一波長帯域に従い複数個のオーバーレイパターンの現れる複数個のオーバーレイパターンイメージを取得する段階と、
前記可視光の単一の波長帯域に従い取得された複数個のオーバーレイパターンイメージに対応する映像信号を順にデータベースに蓄積する段階と、
前記データベースに蓄積された映像信号を用いて前記複数個のオーバーレイパターンイメージを現し、前記複数個のオーバーレイパターンイメージで現れる複数個のオーバーレイパターンの鮮明度を比較して、比較的優位な鮮明度を有する複数個のオーバーレイパターンの現れるオーバーレイパターンイメージを選択部で選択する段階と、
前記選択部で選択されたオーバーレイパターンイメージを取得するために使用された単位波長帯域を有する前記可視光を用いて前記複数個のオーバーレイパターンを拡大投影するように制御する段階と、
を含むことを特徴とするオーバーレイ計測方法。
前記選択部で選択される前記オーバーレイパターンイメージに現れるオーバーレイパターンの中心位置を用いてオーバーレイ補正値を算出する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載のオーバーレイ計測方法。
前記オーバーレイパターンイメージを取得する段階は、光学モジュールを通じて前記ウェハ表面に形成された前記複数個のオーバーレイパターンを拡大投影する段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載のオーバーレイ計測方法。
前記オーバーレイパターンイメージは、前記ウェハの表面に単一の波長を有する可視光を選別して入射して投影させて取得することを特徴とする請求項２７に記載のオーバーレイ計測方法。
前記オーバーレイパターンイメージは、前記ウェハ表面に入射されかつ反射されながら、前記オーバーレイパターンが投影される多様な波長を有する可視光で所定の単一の波長を有する可視光を選別して取得することを特徴とする請求項２７に記載のオーバーレイ計測方法。
前記データベースは、前記複数個のオーバーレイパターンイメージに対応する映像信号と、前記可視光の単一の波長帯域に対する情報と、を蓄積することを特徴とする請求項２５に記載のオーバーレイ計測方法。