JP2007324338A - マーク位置検出装置及び調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非対称な色ムラを有するようなマークの位置を計測してもマーク位置の計測誤差を低減することができ、これにより、製造原価を上げることなく、アライメント装置毎の性能を均一化してアライメント装置間での機差を低減すること。
【解決手段】照明波長を変えて、測定マークのサイズを計測し、波長帯域によるマークサイズの変化量にもとづいて、結像手段の結像性能を調整する。具体的には、結像光学系に於ける第１リレーレンズの空気間隔を変化させて、結像光学系の倍率色収差を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウエハ等の被検基板上のアライメント用マークなどを計測する際のマーク位置検出装置及び調整方法に関する。

半導体製造工程のフォトリソグラフィ行程においては、ウエハに形成されたマーク位置を検出し、下地パターンとの重ね合わせズレを規定値以下にする必要がある。そのため、露光する前に、ウエハの位置を厳密に計測する。その手段の一つとして、各ショット周辺に配置したアライメント用マークを光学画像として撮像し、アライメントマークを位置検出するための、マーク位置検出装置が用いられている。この種の装置は披検マークに対して照明光を照射し、マークからの反射光を結像してＣＣＤカメラ等で撮像し、測定視野内のマーク位置を計測する。近年、半導体デバイスの微細化に伴い、ウエハのアライメント精度も向上させる必要があり、マーク位置検出装置の測定精度に対する要求仕様も厳しくなっている。以下、マーク位置検出装置を例に説明する。
特開２００３−２８２４１０号公報

従来技術として、例えば特許文献１に示すようなアライメント装置に応用されている。以下、アライメント装置をより一般的にマーク位置検出装置とする。マーク位置検出装置の光学的な概略配置としては、ライトガイド等で照明光学系を介して、ウエハ上のマークを照明し、その反射光の一部をＡＦ光学系に、また一部を結像光学系に分岐する。結像光学系を介した光束はＣＣＤ等の撮像素子にマーク像を形成し、ＣＣＤからの出力信号を解析することにより、マーク位置を検出する。

このものにおいて、結像光学系の収差の影響により、マーク像の位置がズレて検出されることが想定される。下地としてシリコンの掘り込みＬ／Ｓマークの上にＳｉＯ_２膜が蒸着された場合を想定する。マーク周辺も含めた領域で、ＳｉＯ_２膜の膜厚が均一であれば良いが、半導体製造工程によっては、マークの左右で中心非対称に膜ムラが発生する場合もある。このようなマークをマーク位置検出装置で計測した場合、結像系の持つ倍率色収差の大きさに応じてマークの中心位置が変化する。倍率色収差は光学系の設計段階で、理論的に計算できるが、レンズ製造に伴う製造誤差や、各光学ユニットを組み立てる際の組立誤差等で、ある程度のバラツキが生じる。近年、半導体露光装置のウエハアライメント精度は２０ｎｍ程度であり、マーク位置検出装置にいても、その計測誤差を極力小さくすることが望まれる。また、マーク位置検出装置の計測誤差が号機単位で異なることは、露光装置間での機差の原因となり、半導体製造工程の管理が複雑化するので避けたい。そこで、結像光学系の光学部品の精度をさらに向上させることにより、アライメント装置の製造誤差を低減することも考えられるが、製造コストが上がることによる負荷が増大し、コストパフォーマンスの低下になる。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、非対称な色ムラを有するようなマークの位置を計測しても、マーク位置の計測誤差を低減することができ、これにより、製造原価を上げることなく、アライメント装置毎の性能を均一化して、アライメント装置間での機差を低減することができる、マーク位置検出装置及び調整方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係るマーク位置検出装置は、選択的に、少なくとも２つ以上の波長帯域の照明で測定マーク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させる結像手段と、当該結像手段を介した像を撮像するための撮像手段と、当該撮像手段を介し、照明波長帯域を変えて照明された前記測定マークのサイズを計測し解析する画像処理手段と、当該画像処理手段で解析された波長帯域の違いによるマークサイズの変化量にもとづいて、前記結像手段の結像性能を調整する調整手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、結像光学系の倍率色収差を、装置毎に最適に調整し、製造バラツキをある規定値内に調整できた。その効果として、非対称な色ムラを有するようなマークの位置を計測しても、マーク位置の計測誤差を低減することができる。その結果、製造原価を上げることなく、アライメント装置毎の性能が均一化され、アライメント装置間での機差が低減される。

本実施の形態では、大略的には、結像光学系に含まれる光学ユニットのいずれかにおいて、光学部品間の空気間隔を変化させることにより、比較的、倍率色収差が敏感に変化する空気間隔を特定する。前記空気間隔を変化させて、ある特定のマークに対して、マークサイズを数種類の波長帯域で計測する。波長帯域毎のマークサイズの差が、ある規定値内となる空気間隔値を決定する。この様に、本実施の形態では、マーク位置検出装置の結像光学系において、装置毎の倍率色収差の製造バラツキをある規定値内に調整することで、非対称な色ムラを有するようなマークのマーク位置を計測しても、マーク位置の計測誤差を低減することができる。それにより、製造原価を上げることなく、アライメント装置毎の性能が均一化され、アライメント装置間での機差が低減される。

図１は、本発明の実施の形態に係るマーク位置検出装置の模式図である。図２（ａ）は、視野絞りの形状を示す図である。

本装置における光路の詳細に関しては、光源１から射出した広帯域波長の照明光束は、コレクタレンズ４１、光源リレーレンズ４２、及び波長切り替えフィルタ４３を透過し、ライトガイドファイバー４４に入射する。

波長切り替えフィルタ４３は、短波長帯域（Ｂフィルタ）、中間波長帯域（Ｇフィルタ）及び長波長帯域（Ｒフィルタ）の光束が選択的に透過できる光学フィルタで構成されている。さらに、波長切り替えフィルタを外すことにより、波長帯域５３０ｎｍ−８００ｎｍの照明光をライトガイドに入射することもできる。すなわち、照明光の波長帯域は、５３０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で選択的に波長帯域を選択できる。

ライトガイドファイバー４４から出射した光束は、照明開口絞り１０によって光束径が制限され、コンデンサーレンズ２によって集光され視野絞り３を均一に照明する。視野絞り３は、図２（ａ）に示すように、Ｓ１の開口を有する。

視野絞り３を射出した光束は、ビームスプリッター１４を透過し、照明リレーレンズ４によってコリメートされ、ビームスプリッター５により分岐される。さらに、第一対物レンズ６によって集光されウエハ２１を垂直に照射する。ここで視野絞り３とウエハ２１とは共役な位置にある為、スリットＳ１の像は、照明リレーレンズ４、対物レンズ６を介してウエハ２１上に結像する。

前記視野絞り３の開口Ｓ１からの光束は、ウエハ上の測定マーク２０を照射している。ここで、測定マーク２０からの反射光をＬ１とする。この時、測定マーク２０から反射する光束Ｌ１は、第一対物レンズ６によってコリメートされ、ビームスプリッター５を透過し、第２対物レンズ７によって再び集光され、結像開口絞り１１により光束系を制限し、第１リレーレンズ１２及び第２リレーレンズ１３によって撮像素子ＣＣＤ８表面にウエハマークの像を結像する。

撮像素子ＣＣＤ８からの出力信号は、画像処理手段９により処理され、ウエハ２１上の測定マーク２０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を行う。また、仮想瞳面と結像開口絞りは、共役な位置関係にある。

一方、ビームスプリッター１４を反射分岐された光束は、ＡＦ系視野絞り３８を透過後、ＡＦ第一リレーレンズ３０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３１上に照明開口絞り１０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機構になっている。光束Ｌ１は、瞳分割ミラーによって二光束に分離され、ＡＦ第二リレーレンズ３２により再び集光される。さらに、シリンドリカルレンズ３３を介してＡＦセンサー３４上の２個所に光束Ｌ１を計測方向に関して結像する。また、非計測方向に関してはシリンドリカルレンズ３３が屈折力を持ち、Ｌ１の光束はＡＦセンサー３４上に光源像を結像する。オートフォーカスの動作原理の詳細は、例えば特開２００２−４０３２２に記載してある。なお、図１に於いて、符号２２は、ステージであり、符号２４は、ステージ制御部であり、符号３５は、ＡＦ信号処理部であり、符号３６は、ＡＦ系ミラーである。

次に、図１に示すような光学系で、図３に示すような膜ムラのあるマークの位置を計測する。図３は、膜厚ムラのあるアライメントマークを示す図である。

この場合、結像光学系の倍率色収差が計測誤差に対して、どのように影響するか説明する。図３に示すように、測定マークの左側から右側へ傾斜するように、膜厚が変化している。ここで、膜の上面と下面から各々反射する光束について考えると、両者の光束は、膜厚によって干渉条件が異なるため、ある波長帯域に注目すると、アライメントマーク全体の左側と右側で波長帯域の違いによりマーク像強度が異なる。よって、５３０ｎｍ−８００ｎｍ程度の広帯域な波長帯域でマーク画像を観察した場合、色ムラとなってしまう。また、照明波長を狭帯域幅にした場合でも、マーク全体の左側と右側で像強度が異なるので、アライメントマーク全体のプロファイルが傾斜し、マーク全体中心に対して中心非対称となるので、折り返し相関法による信号処理に適していない。折り返し相関法に関しては後述する。よって、５３０ｎｍ−８００ｎｍ程度の広帯域の波長で照明することが望ましい。

しかしながら、膜厚ムラによって、結果的に光学画像として、色ムラとなるようなマークを倍率色収差の大きい結象光学系で測定した場合は、図４に示すように、マークの中心がズレて計測される。分かりやすく説明するために、３本のラインマークを計測マークとする。図４（ａ）は膜厚ムラがあるマーク例を示した図であり、図４（ｂ）は倍率色収差を示した図であり、図４（ｃ）は倍率色収差が介在する結像光学系で膜厚ムラマークを観察した時のマーク像を示した図である。

図４（ａ）のように、膜厚ムラによって、波長帯域毎に強度が異なるようなマークを想定する。
ＭａｒｋＢ：短間波長帯域強度が他波長帯域より強い
ＭａｒｋＷ：中間波長帯域強度が他波長帯域より強い
ＭａｒｋＲ：長間波長帯域強度が他波長帯域より強い
本明細書においては、青色：短波長帯域、緑色：中間波長帯域、赤色：長波長帯域に対応する記載としている。

また、光学系の倍率色収差は、図４（ｂ）に示すように、軸外において光軸側より、波長帯域が短波長帯域、中間波長帯域、長波長帯域と分離されるような収差状態と仮定する。このような結像光学系で膜厚ムラのあるマークを結像した場合、図４（ｃ）のようなマーク像が得られる。すなわち、
ＭａｒｋＢ：Ｘ軸方向＋側へずれる。
ＭａｒｋＷ：位置ズレはしない。
ＭａｒｋＲ：Ｘ軸方向＋側へずれる。

アライメントマーク全体の位置としては、３本マークの平均的な位置となるので、アライメント情報としてのマーク位置検出結果としては、計測Ｘ軸方向＋側へずれて計測される。これが計測誤差となる。通常、ウエハのアライメントマークの計測は、装置のスループットを上げるため、極力短時間で、Ｓ／Ｎ比の高い測定が求めら得る。よって、計測マークは複数本設ける必要があり、このように倍率色収差の影響を受けてしまう。

そこで、本実施の形態では、前述の倍率色収差を間接的に測定し、ある規定値内に号機毎に調整する手法を説明する。本実施の形態においては、調整用工具ウエハ２１をステージ２２に搭載し、以下の手順に沿って、調整を行う。

第１の手順として、図５に示すような調整用マークＡをＰ_０が視野の中心に位置するようにステージ２２を移動する。図５（ａ）は、Ｘ方向に配列した調整用マークＡを示した平面図であり、（ｂ）は、その模式的断面図である。

調整用マークＡの大きさ及び形状は、図５に示してあり、調整用工具ウエハ２１上に存在する。調整用マークＡの段差は、０．０８３μｍであり、シリコンウエハ２１などをエッチング処理で作成したマークである。実施の形態には、Ｘ方向に配列した５本のラインマークを示した。これら５本の平均的なマーク位置を計測する場合を考える。マーク位置の計測は光学画像をＣＣＤ８で撮像し、強度信号プロファイルデータを信号処理することで、計測することができる。信号処理の計測手法としては信号波形をある基準位置に対して、折り返し、折り返し前後のプロファイル信号の相関係数からマークの中心位置を算出する。一般的には折り返し相関法として既知の技術であり、詳細な説明は省略する。

波長帯域が短波長帯域、中間波長帯域、長波長帯域の照明光を選択するフィルタをそれぞれＢフィルタ、Ｇフィルタ、Ｒフィルタとする。まずＢフィルタを設定し、調整用マークＡのｂａｒ１マーク、ｂａｒ２マークの折り返し相関処理を行い、ｂａｒ１，ｂａ２マークの中心位置検出を行う。この計測結果をＸＢ（１，２）とする。同時に調整用マークＡのｂａｒ４マーク、ｂａｒ５マークの折り返し相関処理を行い、ｂａｒ４，ｂａ５マークの中心位置検出を行う。この計測結果をＸＢ（４，５）とする。この計測結果は一度に撮像した画像で信号処理し、
Ｘ（Ｂ）＝ ＸＢ（１，２） − ＸＢ（４，５）
として記録する。
さらに、Ｇフィルタ、Ｒフィルタを設定し、
Ｘ（Ｇ）＝ ＸＧ（１，２） − ＸＧ（４，５）
Ｘ（Ｒ）＝ ＸＲ（１，２） − ＸＲ（４，５）
を計測する。

ここで、調整用マークＡは、マークの全面に渡り反射特性率の波長特性が均一なので、色ムラなどは無い。よって、各々の差分Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｒ）、Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｇ）、Ｘ（Ｒ）−Ｘ（Ｇ）は、物高差１５μｍに相当する位置での色ズレを表しており、仮に、１５μｍの大きさを有するマークを観察すると、照明波長によって、上記差分に相当するサイズの差が生じる。

これを分かりやすく、マークサイズの色差と呼ぶ事にする。マークサイズの色差に影響を与えるものは、倍率色収差のほかに、コマ収差の波長差、像面湾曲の波長差なども考えられるが、倍率色収差による影響度は、他に比べて比較的大きく、倍率色収差を調整することで、マークサイズの色差を号機毎に最適に調整できる。また、マークサイズの色差を調整することにより、本来、目的としていたマーク位置検出の測定誤差を低減することになり、課題の解決にもなっている。

第２の手順として、マークサイズの色差を規定値以内に調整する手段に関して説明する。図１の実施の形態に示す第１リレーレンズ１２は、図２（ｂ）に示すような形態である。単レンズ４枚で構成されており、マークサイズ色差調整用の間隔ｄ_ＣＨを有する。設計値では、ｄ_ＣＨ＝１．１ｍｍであるが、これを０．１ｍｍ毎に変化させながら、マークサイズ色差のデータを取得する。図２（ｂ）は、図１の第１リレーレンズの詳細を示した図である。

このとき、マークサイズ色差として、｜Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｒ）｜の値が２ｎｍ以下と規定を定めて、適切な間隔に調整する。後述する調整例の実験データ（図８（ａ））、計算データ（図８（ｂ））を各々示す。図８（ａ）、図８（ｂ）には、中間波長帯域のフィルタでなく、短波長と中間波長帯域を含む光束を選択するフィルタＢ−Ｇフィルタによるものを示した。間隔ｄ_ＣＨを変化させることにより、マークサイズの色差が調整できることが分かる。

図６は、本実施の形態に係るマーク位置検出装置により倍率色収差を調整する際のフローチャートである。図７は、図６のフローチャートのステップ１０２（マーク中心位置の差分）の詳細である。

本実施の形態では、マークサイズの色差を規定値以内に調整する際、マークサイズ色差調整用の間隔ｄ_ＣＨを調整するため、第１リレーレンズ１２のレンズ間に介在物等を挿入して手動により調整してもよく、また、図６及び図７に示すフローチャートに基づいて、自動的に、第１リレーレンズ１２のマークサイズ色差調整用の間隔ｄ_ＣＨを調整してもよい。具体的には、駆動モータ等により第１リレーレンズ１２のレンズを移動できるようにしてあればよい。

図６に示すように、ステップ１０１及びステップ１０２に於いては、上記に詳述したように、また、図７に示すように、｜Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｒ）｜の差分を得る。ステップ１０３に於いて、｜Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｒ）｜の値が２ｎｍ以下になったか否かを判別し、すなわち、所定値以上の場合には、ステップ１０４に於いて第１リレーレンズ１２のマークサイズ色差調整用の間隔ｄ_ＣＨを調整する工程を経て、ステップ１０２に戻る一方、｜Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｒ）｜の値が所定値以下の場合には、フローは終了する。

次に、実験データに関して説明する。図８（ａ）は、マークサイズ色差の実験データを示した図であり、図８（ｂ）は、マークサイズ色差の計算データを示した図である。

実験に使用したフィルタの波長帯域は、以下である。
Ｂフィルタ：５３０−６００ｎｍ
Ｂ−Ｇフィルタ：５３０−７００ｎｍ
Ｒフィルタ：７００−８００ｎｍ
各々のフィルタを設定し、前述の手法によりマークサイズ色差の測定を行う。 次に、調整間隔を設計値１．１ｍｍから１．４ｍｍ及び０．９ｍｍに変更し、同様の測定を行う。本実施の形態において使用した号機の場合、図８（ａ）に示すように、マークサイズの色差は、調整間隔が１．４ｍｍの時に、
｜Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ｒ）｜＝２（ｎｍ）
となり、マークサイズ色差の特性が最も良好である。本実施の形態では、中間波長帯域のフィルタとして、短波長から中間波長帯域を含んだフィルタ、Ｂ−Ｇフィルタを用いたが、本実施の形態の目的を達成する上では問題ない。

次に、前記実験データの条件を反映した計算データに関して図８（ｂ）を参照して説明する。計算データに使用する収差は、結像光学系レンズデータの倍率色収差である。３種類のフィルタに対応した計算値は、以下の通りである。
Ｂフィルタ：ｅ線、ｄ線の計算データ
Ｂ−Ｇフィルタ：ｅ線、ｄ線、Ｃ線の計算データ
Ｒフィルタ：Ａ線の計算データ
その他の光学条件は、実験データに概ね一致した条件である。

以上、本実施の形態では、マークサイズの色差を規定値２ｎｍ以下に調整でき、そのように調整された結像光学系では、膜ムラのあるマークを観察しても、上述したようなマーク像の色ズレは、２ｎｍ以下に抑えられており、マーク位置検出装置の計測誤差を低減できる。

また、調整用マークＡは、実施の形態のサイズのみならず、観察視野内において、マークサイズの色差が測定できるマーク形態であればよい。また、マークサイズの色差も任意の波長帯域におけるマークサイズの差としても良い。また、同様の手法により、Ｙ方向に配列した調整用マークを使用して調整しても良い。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、マークのサイズやマーク本数など種々変形可能である。

本発明の実施の形態に係るマーク位置検出装置の模式図である。 （ａ）は、視野絞りの形状を示す図であり、（ｂ）は、図１の第１リレーレンズの詳細を示した図である。 膜厚ムラのあるアライメントマークを示す図である。 （ａ）膜厚ムラがあるマーク例を示した図であり、（ｂ）は、倍率色収差を示した図であり、（ｃ）は、倍率色収差が介在する結像光学系で膜厚ムラマークを観察した時のマーク像を示した図である。 （ａ）は、Ｘ方向に配列した調整用マークＡを示した平面図であり、（ｂ）は、その模式的断面図である。 本実施の形態に係るマーク位置検出装置により倍率色収差を調整する際のフローチャートである。 図６のフローチャートのステップ１０２（マーク中心位置の差分）の詳細である。 （ａ）は、マークサイズ色差の実験データを示した図であり、（ｂ）は、マークサイズ色差の計算データを示した図である。

符号の説明

１…光源、８…撮像素子ＣＣＤ、９…画像処理手段、１２…第１リレーレンズ、２０…測定マーク、２１…ウエハ（調整用工具ウエハ）、４３…波長切り替えフィルタ。

Claims (4)

1. 選択的に、少なくとも２つ以上の波長帯域の照明で測定マーク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させる結像手段と、
   当該結像手段を介した像を撮像するための撮像手段と、
   当該撮像手段を介し、照明波長帯域を変えて照明された前記測定マークのサイズを計測し解析する画像処理手段と、
   当該画像処理手段で解析された波長帯域の違いによるマークサイズの変化量にもとづいて、前記結像手段の結像性能を調整する調整手段と、を具備することを特徴とするマーク位置検出装置。
2. 請求項１に記載したマーク位置検出装置において、前記調整手段は、前記結像手段の結像光学系における光学ユニットの一部の空気間隔を変化させて、前記結像光学系の倍率色収差を調整することを特徴とするマーク位置検出装置。
3. 選択的に、少なくとも２つ以上の波長帯域の照明で測定マーク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させる結像手段と、
   当該結像手段を介した像を撮像するための撮像手段と、
   当該撮像手段を介し、照明波長帯域を変えて照明された前記測定マークのサイズを計測し解析する画像処理手段と、
   を具備し
   当該画像処理手段で解析された波長帯域の違いによるマークサイズの変化量にもとづいて、前記結像手段の結像性能を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。
4. 請求項３に記載したマーク位置検出装置の調整方法において、前記結像手段の結像光学系における光学ユニットの一部の空気間隔を変化させて、前記結像光学系の倍率色収差を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。

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