JP3261197B2 - 位置ずれ量測定光学系の光軸調整方法 - Google Patents

位置ずれ量測定光学系の光軸調整方法

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高彦 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ウエハに形成された
各種のパターンの相互間の位置ずれ量、すなわちレジス
トレーションを測定する光学系の光軸の調整方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体ICの製造においては、表面が平
滑なサブストレートのウエハに対して、各種のパターン
が形成される。これらのパターンは相互間の位置が正確
に形成されることが必要であり、形成された各段階で測
定装置により各パターンは、その位置ずれ量(関係者は
レジストレーションとよぶ)が精密に測定され、検査さ
れている。最近のICの集積密度の飛躍的な増加に対応
して、この検査はますます重要となっている。
【0003】図3(a) は、パターンを形成する一プロセ
スにおける、ウエハのX方向またはY方向の断面の一例
を示す。ウエハ1の表面には酸化シリコンのパターン2
が適当なギャップLをなして形成され、パターン2を覆
ってウエハ1の全面にアルミニュームの薄膜3が蒸着さ
れ、さらにギャップLの中心に幅がdのフォトレジスト
のパターン4が形成されている。測定装置の光学系によ
りこれらの表面に照明光を照射して反射光を検出する
と、(b) に示す信号波形がえられる。アルミニューム薄
膜3は不透明であるためパターン2は検出されないが、
そのエッジ21により薄膜3が湾曲しているので、湾曲部
Kに対するピークpK が検出されて、両ピーク間の距離
L′が計測され、その中心点m1 の位置が求められる。
また、パターン4の両側のエッジ41に対するピークpr
が検出されて両ピーク間の距離d′が計測され、その中
心点m2 の位置が求められ、両中心点m1 とm2 の間隔
δαがパターン2に対するパターン4の位置ずれ量とさ
れる。なお図示は省略するが、上記のウエハ1に対して
反応性イオンエッチング処理を行って、パターン4に対
応する薄膜3の部分を残留させてアルミニュームの配線
パターンを形成し、その位置ずれ量が上記と同様に測定
されている。上記により測定された位置ずれ量δαなど
は、種々の理由によりエラーが生ずる。その一つには測
定光学系の光軸の調整不良の問題がある。なお、各パタ
ーンの位置ずれ量δαなどの許容値は、ICの集積度が
増加するに伴ってますます小さくされ、例えば64メガ
においては80〜100nmとされ、これに対する測定
精度は20nm以下が要求されている。
【0004】図4は、レジストレーション測定装置の測
定光学系6の概略の構成図を示す。各種のパターンが形
成された被検査のウエハ1は、載置台5に装着されてチ
ャックされ、図示しない移動機構によりX方向またはY
方向にステップ移動する。これに対する測定光学系6
は、胴付面ベース611 にネジ止めされ、微動機構612 に
より高さ位置と傾斜角が調整できる顕微鏡の対物レンズ
61と、3個のハーフミラー62a,62b,62c 、光源部63、X
受光系64、Y受光系65、およびモニター部66とにより構
成されている。レジストレーションの測定においては、
光源部63よりの照明光をハーフミラー62a を経て対物レ
ンズ61により平行光束に変換し、各パターンに垂直に照
射する。その反射光は対物レンズ61とハーフミラー62a,
62b を透過し、ハーフミラー62c により2分割されて、
X受光系64とY受光系65にそれぞれ入射し、X方向およ
びY方向の位置ずれ量がそれぞれ計測される。また、ハ
ーフミラー62b により分割された反射光はモニター部66
に受光され、各パターンの映像が表示される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】さて、上記の測定にお
いては照明光は平行行光束で、かつ各パターンに対して
垂直とすることが是非とも必要である。このために照明
光は対物レンズ61により平行光束に変換されているが、
測定光学系6の組み立て段階では、照明光の平行性と、
各パターンに対する垂直性は必ずしも正確になされてい
るとは限らない。なお、この稿においては、照明光の平
行性と垂直性の調整を広い意味で光軸調整とよぶことと
する。図5(a) は、各パターンに対して平行光束の照明
光が角度δθの斜め方向に照射された場合を示す。照明
光が斜め方向のためパターン4には影Sが生じ、この影
Sでは照明光が反射されないため、ピークpr の位置が
移動して計測されたパターン4の中心点はm2 ′とな
り、位置ずれはδα′となって計測エラーが生ずる。こ
の計測エラーを数値的に述べると、パターン4の高さt
は3μm以上あり、δθを1°とすると、影Sのウエハ
面上の長さは約50nm以上に達し、位置ずれ量δαの
要求精度20nmに比較して非常に大きい。図5(b) は
照明光が非平行光束の場合で、パターン4の両側面に影
1,S2 が生じ、やはり計測エラーの原因となる。以上
に対して、従来は光学系6の組み立て段階において、位
置ずれ量の測定を繰り返しながら、微動機構612 によ
り、いわば試行錯誤で対物レンズ61の高さ位置と傾斜角
を調整して、照明光の平行性と垂直性が求められてい
る。しかし、このような方法では両者の正確な調整は困
難であり、また非能率である。この発明は以上に鑑みて
なされたもので、レジストレーション測定における計測
エラーを除去するために、照明光の平行性と垂直性とが
正確にえられる簡易で効率的な調整方法を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明はレジストレー
ション測定光学系の光軸調整方法であって、前記のレジ
ストレーション測定装置において、適当なウエハの表面
の対物レンズの視野の範囲内に、適当な直径と高さを有
する複数の円筒形の突起を、マトリックス状に対称的に
植設してテストウエハを構成する。テストウエハを載置
台に載置し、光源部よりの照明光を対物レンズを通して
照射し、照明光により生じた各突起の影をモニター部で
観察する。各影が一方向に偏っているときは対物レンズ
の傾斜角を調整し、または、各影がマトリックスの中心
点に対して外方に拡散し、もしくは内方に集中している
ときは、対物レンズの高さ位置を調整して、それぞれの
影を消失させ、照明光の垂直性と平行性とをそれぞれ正
確に調整するものである。
【0007】
【作用】上記の光軸調整方法においては、載置台に載置
され、複数の円筒形の突起がマトリックス状に植設され
たテストウエハに対して、光源部よりの照明光が対物レ
ンズを通して照射される。照明光により生じた各突起の
影はモニター部で観察され、各影が一方向に偏っている
ときは対物レンズの傾斜角を調整する。または、各影が
マトリックスの中心点に対して外方に拡散し、もしくは
内方に集中しているときは、対物レンズの高さ位置を調
整する。このような調整によりそれぞれの影を消失させ
ることにより、照明光の垂直性と平行性がそれぞれ正確
に調整され、レジストレーション測定における各パター
ンに対する位置ずれ量の計測エラーが除去される。
【0008】
【実施例】図1はこの発明によるテストウエハ7の一部
の外観を示す。適当なウエハの表面の、測定光学系6の
対物レンズ61の視野71(点線で示す)の範囲内に、適当
な直径φで高さhの複数の円筒形の突起Pを、マトリッ
クス状に対称的に植設してテストウエハ7が構成され
る。この場合、正確な影Sをうるためには円筒形の側面
をできる限り垂直に形成することが必要である。また突
起Pの高さhは大きいほど影Sの裾が長くなって調整が
やり易いが、植設の難易と対物レンズ61の焦点深度を考
慮して、前記したパターン4の高さ3μmの程度とす
る。なお突起Pは適当な金属膜の蒸着と、エッチングに
より植設することができる。
【0009】図2は、上記のテストウエハ7の各突起に
生じた影Sのモデル例を示し、これにより光軸調整方法
を説明する。(a) はテストウエハ7に対して平行光束の
照明光が斜め方向に照射された場合で、各影SはX方向
に一様に偏っており、これがモニター部66により観察さ
れる。これに対して、微動機構612 により対物レンズ61
の傾斜角を調整して各影Sを消失させると、テストウエ
ハ7に対して照明光が垂直照射されて正確な垂直性がえ
られる。(b) は、照明光が非平行光束の場合で、各影S
がマトリックスの中心点Oに対して外方に拡散している
ことがモニター部66により観察され、この場合は微動機
構612 により対物レンズ61の高さ位置を調整して各影S
を消失させると、照明光の正確な平行性がえられる。非
平行光束には各影Sが上記と反対に中心点Oの方向に集
中している場合があるが、その場合の調整方法も上記と
同様である。以上は各影Sのモデルであり、実際にはこ
れらが複合して現れるので、各影Sが消失するように傾
斜角と高さ位置のそれぞれの調整により、照明光の正確
な垂直性と平行性がえられる。なお、テストウエハ7に
よる光軸調整は、光学系6の組み立て段階に限らず、任
意の時点で随意に行って照明光の垂直性と平行性を確認
することができる。
【0010】
【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明による光
軸調整方法においては、適当なウエハの表面に、複数の
円筒形の突起をマトリックス状に植設して構成されたテ
ストウエハに対して、照明光を対物レンズを通して照射
し、これにより生じた各突起の影をモニター部で観察
し、各影が消失するように、対物レンズの傾斜角と高さ
位置をそれぞれ調整して照明光の正確な垂直性と平行性
がえられるもので、テストウエハによる簡易な方法によ
り、容易に垂直性と平行性がえられて位置ずれ量に対す
る計測エラーが除去され、レジストレーションの測定デ
ータの信頼性の向上に寄与するところには大きいものが
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施例におけるテストウエハ7
に植設された突起Pの外観図を示す。
【図2】 テストウエハ7の各突起Pに生じた各影Sの
モデル例と、これによる光軸調整方法の説明図である。
【図3】 (a) はパターン形成の一プロセスにおける、
ウエハのX方向またはY方向の断面の一例を示す図、
(b) は(a) に対する信号波形図である。
【図4】 レジストレーション測定光学系6の概略構成
図である。
【図5】 (a) は照明光が斜め方向の場合にパターン4
に生じた影Sと、位置ずれ量の計測エラーの説明図、
(b) は照明光が非平行光束の場合の影S1,S2と計測エ
ラーの説明図である。
【符号の説明】
1…ウエハ、2…酸化シリコンのパターン、3…アルミ
ニューム薄膜、4…フォトレジストのパターン、5…載
置台、6…レジストレーション測定光学系、61…顕微鏡
の対物レンズ、611 …胴付面ベース、612 …微動機構、
62a,62b,62c …ハーフミラー、63…光源部、64…X受光
系、65…Y受光系、66…モニター部、7…テストウエ
ハ、71…対物レンズの視野、L,L′…ギャップまたは
計測距離、d,d′…幅または計測距離、t…パターン
4の高さ、m1,m2,m2 ′…中心点、δα、δα′…位
置ずれ量 P…テストウエハに植設された突起、φ…突起Pの直
径、h…突起Pの高さ、S,S1,S2 …パターン4また
は突起Pの影。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウエハの表面に積層された各種のパター
    ンを対象とし、該ウエハを載置する載置台と、顕微鏡の
    対物レンズ、光源部、ハーフミラー、X受光系、Y受光
    系、およびモニター部とよりなる測定光学系を具備し、
    前記光源部よりの照明光を、前記対物レンズにより平行
    光束に変換して前記各パターンに対して垂直に照射し、
    その反射光をハーフミラーにより2分割して前記X受光
    系とY受光系によりそれぞれ受光し、前記各パターンの
    X方向およびY方向の位置ずれ量を測定する位置ずれ量
    測定装置において、適当なウエハの表面の前記対物レン
    ズの視野の範囲内に、適当な直径と高さを有する複数の
    円筒形の突起を、マトリックス状に対称的に植設してテ
    ストウエハを構成し、該テストウエハを前記載置台に載
    置して前記光源部よりの照明光を前記対物レンズを通し
    て照射し、該照明光により生じた各突起の影を前記モニ
    ター部で観察し、該各影が一方向に偏っているときは前
    記対物レンズの傾斜角を調整し、または、該各影が前記
    マトリックスの中心点に対して外方に拡散し、もしくは
    内方に集中しているときは、前記対物レンズの高さ位置
    を調整して、それぞれの影を消失させ、前記照明光の垂
    直性と平行性とをそれぞれ正確に調整することを特徴と
    する、位置ずれ量測定光学系の光軸調整方法。
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JP7241611B2 (ja) * 2019-06-06 2023-03-17 東京エレクトロン株式会社 パターン測定装置、パターン測定装置における傾き算出方法およびパターン測定方法
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