JP3868397B2

JP3868397B2 - High precision dimension measuring device

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Publication number: JP3868397B2
Application number: JP2003136238A
Authority: JP
Inventors: 智廣川; 正吾小菅
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP2004045388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体ウエハ等の製造工程に於いて使用する、半導体の並び精度を測定、検査する高精度寸法測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高精度寸法測定装置には、並び精度測定装置やアライメント測定装置がある。
先ず、並び精度の測定について、半導体ウエハを測定対象例として説明する。
図１は代表的な半導体ウエハを示す。なお、この図は分かりやすくするための図で、忠実な縮尺ではない。
【０００３】
まず、半導体ウエハ上に多数の集積回路パターンを１つずつ作成する工程について説明する。図において、例えば直径 150 mm の半導体ウエハ 47 は、Si 等の単結晶基板等からなり、その表面に微細な集積回路パターン（以下、IC パターン）を形成するものである。オリエンテーションフラット 48 は、半導体ウエハ 47 の円形の１辺を切欠いたもので、結晶面の方向を明らかにするためと、半導体ウエハ 47 の回転軸（θ）方向の位置を決めるものである。IC パターン 50 は、半導体ウエハ 47 上に複数個形成される。例えば、図１では例えば、１個が 1 mm × 20 mm の矩形の IC パターン 50 である。IC パターン 50 は、図１の場合に、例えば、１個ずつリソグラフィ技術を用いて投影露光して、その後不純物のドープ、拡散等の処理を繰り返して形成される。
【０００４】
アライメントマーク 49 は、露光時に、半導体ウエハ 47 上の各 IC パターン 50 の x ，y ，θ方向の位置を決めるために、通常、半導体ウエハ 47 に複数個配置され、その内の２個（可能な限り離れた位置の２個）を用いて、x ，y ，θの位置座標の補正に使用する。アライメントマークの長さは、例えば300 μm である。アライメントマークとオリエンテーションフラット 48 との距離は、半導体ウエハ毎に異なり、例えば 1 mm 程度のズレがありうる。従って、まず、アライメントマークを検出し検出されたアライメントマークの位置に基いて、半導体ウエハ 47 が測定装置上の正確な位置に位置合わせされる。これを半導体ウエハのアライメントと呼ぶ。
次に半導体ウエハが測定装置に正しく位置合わせされた後、半導体ウエハ 47 上に IC チップが形成される。IC チップは、複数の IC パターンの組合せによって形成される。即ち、まずチップ形成のための露光は、アライメントマーク 49 の位置を基準として相対的な距離の場所に、各々の IC パターン 50 を形成するように実行される。従って、アライメントマーク 49 の位置座標を求め、測定装置の x ，y ，θ座標との相対的な位置を算出して、位置補正をしてから、各 IC パターン 50 の露光が行われる。
【０００５】
上記のようにして半導体ウエハ上に作成した多数の IC パターンは、その後のスクライビング工程により個々の IC チップに分離される。多数の IC パターンを作りつけた半導体ウエハから個々の IC チップをスクライビングによって切り出すためにはまず、アライメントマークを基準とする一列の IC パターンの位置のバラツキが所定の基準値以下（例えば、 10 μｍ以下）でなければならない。なぜなら、スクライビング方向の一列の IC の並びのバラツキが 10 μｍ以上あると、スクライビングによって１つの IC パターンの一部が切断され、不良の IC チップとなってしまうからである。よって、個々の IC パターンの切り出しの前に、アライメントマークの検出とアライメントマーク位置に対する IC パターンの位置のバラツキ、即ち並び精度（ alignment accuracy ）の測定を行ない、所定のばらつき範囲にあるか否かを測定し、IC の製造工程の改善及び歩留まりの向上に役立てるものである。特に、並び精度の測定には高精度の距離の測定が必要である。
【０００６】
記載すべき先行技術文献は発見できなかった。
【０００７】
本発明者等は、本発明に至る過程で、半導体ウエハ 47 の位置合わせ用のアライメント測定装置と IC パターン 50 の並びを測定する並び精度測定装置とを同一顕微鏡を用いて測定するが、半導体ウエハ上の IC チップの並びのバラツキを検出する「並び精度検出」用と半導体ウエハの設置位置ずれを検出する「アライメント検出」用として互いに異なる倍率の対物レンズを用意しておき、検出に際し、対物レンズをその都度交換し或いは切換えて、以って、一つの顕微鏡を兼用して測定することを検討した。異なる倍率の対物レンズを使用する理由は被測定物の大きさが違うためである。即ち、被測定物の一方は半導体ウエハ上の半導体素子であり、そのサイズは上述の如く例えば 1 mm × 20 mm あるいはそれより小さく、もう一方は半導体ウエハそのものの設置上の基準点であるアライメントマークであり例えば 300 μm の大きさである。
【０００８】
１つの顕微鏡を兼用した場合、測定及び位置合わせは以下のようにして行われる。
最初にアライメントマーク検出と位置合せは以下のように行なわれる：
１．オリエンテーションフラット 48 を利用して測定対象の半導体ウエハ 47 を被測定物搭載及び保持するテーブル（戴置台）上に位置決めする。
２．顕微鏡の対物レンズとして低倍率（例えば光学倍率5倍）のものを用いて、左側のアライメントマーク 49 の実際の位置（Ｘ₁，Ｙ₁）と設計位置（Ｘ₀，Ｙ₀）とを比較する（このときの顕微鏡の視野、即ち、図示しない画像表示装置の表示範囲は例えば１ｍｍである。また、設計位置（Ｘ₀，Ｙ₀）とは、戴置台の基準位置、例えば、座標軸の原点である。）。
３．右側のアライメントマークの実際の位置（Ｘ₂，Ｙ₂）について２．と同様の測定を行う。
４．上記２項と３項から半導体ウエハと傾き（θ）を算出する。
５．算出した（Ｘ₁，Ｙ₁）、（Ｘ₂，Ｙ₂）と測定装置の（Ｘ₀，Ｙ₀）との相対的な位置を算出して前もって設定されている位置とのズレ量を補正する。
【０００９】
次に、光学系を半導体素子検出用の高倍率（例えば、光学倍率 250 倍）のものに換え、その光軸を光学系のそれに合わせた上で、以下のように半導体素子の検出（並び精度）をする。
１．上記高倍率の対物レンズによる観察下で、半導体ウエハ 49 を移動して先頭の IC パターン位置を光軸と合わせる（このときの顕微鏡の視野、即ち、図示しない画像表示装置の表示範囲は、例えば 20 μm である。）。
２．先頭の IC パターン位置の y 軸上の距離を測定する。
３．半導体ウエハを次の IC パターン位置まで x 方向に移動して次のパターン位置の y 軸上の距離を求める。
４．上記３項の処理を繰り返して、各パターン位置で y 軸上の距離を求める。
５．求めたパターン位置の y 軸上のバラツキに基づき半導体ウエハ 47 の良否を判定する。
半導体ウエハの良否の判定基準は、例えば、全ての IC パターンの y 軸上のバラツキの絶対値が 5 nm 以内であれば良品、それより大きい IC パターンがあると不良品とする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような同一顕微鏡を用いて並び精度を測定する場合の問題点を一つの顕微鏡を兼用した場合の並び精度測定装置の一構成例を示す図２に言及して説明する。
図２に於いて、１は被測定物、２は顕微鏡ユニット、３は顕微鏡支持部、４は測定時の被測定物照明用の光を供給するための光源の軸、即ち、顕微鏡ユニット２の光軸中心、５は顕微鏡ユニット２を支えるアルミニウム製の支柱、５００は支柱５の中心軸、６は支柱５を支える石定盤、７は支柱５の中心軸５００と光軸４との距離、８は被測定物１の保持部を示す。顕微鏡ユニット２の支持には、顕微鏡ユニット２の片方の端部である顕微鏡支持部３をアルミ支柱５が支持する片持ち式を用いている。
【００１１】
図２の並び精度測定装置の構造の場合、支柱５の中心軸５００と顕微鏡ユニット２の光軸中心４との距離が大きく（例えば、200 mm 程度）、かつ、支柱５は材質がアルミニウムで熱膨張係数が 23.7 ppm/℃と大きいため、温度が 0.05 ℃変化すると、熱変位誤差が約 240 nm と、かなり大きくなってしまい問題である。
【００１２】
次に、被測定物の保持部８について、一つの並び精度測定装置の別の構成例を示す図３に言及して説明する。この構成例も本発明者等が本発明をする過程で考案し検討したものである。
図３に於いて、１０は被測定物１を載せて固定（保持）するための戴置台、１１は被測定物１と戴置台１０を位置合わせ（アライメント）のために水平方向に回転させるθ回転機構、１２は並び精度測定の際に被測定物を顕微鏡に対して移動させるときの真直度（ degree of straightness ）を測定するための測長計を示す。
被測定物としての例えば半導体ウエハ上の各列における半導体素子間の並びのバラツキを測定するためには、半導体ウエハを載せた戴置台を x 軸上に沿って移動させ半導体ウエハ上の各半導体素子の y 軸上の距離を測定する必要がある。
移動の際、半導体ウエハを載せた戴置台10 が真っ直ぐに移動するのが理想であるが、戴置台10 はいくらかの揺らぎ（ waggling or wobbling ）を持ちながら進むのが現実である。そこで、測長計１２を用いて戴置台の移動の揺らぎを補正する。
【００１３】
次に、並び精度の測定方法について、半導体ウエハ（以下、半導体ウエハ）47上の半導体素子（ IC パターン）の並び状態を拡大して示した図４に言及して説明する。
図に於いて、２０は半導体ウエハ上の半導体素子、２１は半導体ウエハと、この半導体ウエハ上の半導体素子配置寸法の基準点を示すアライメントマークであるが、実際は、アライメントマークは極めて大きく視野内には入ってこない、２２と２３はそれぞれ、半導体ウエハ上の半導体素子配置上の横方向の x 軸と y 軸を表す。半導体ウエハを顕微鏡に対し x 軸方向に移動させながら各半導体素子を顕微鏡で拡大し、CCD カメラで撮像された各半導体素子２０の位置Ｔ０−Ｔｎにおける例えば、 y 軸上の最大と最小の配置差であるΔＹを検出する。即ち、半導体ウエハを x 軸上の各Ｔｎの位置（但し、ｎ＝０，１，２，‥‥‥，ｎ）に移動させ、顕微鏡で拡大し、CCD カメラで撮像する。撮像したそれぞれの位置Ｔ０−Ｔｎで所定の大きさを持つ半導体素子の中心位置を画像処理で求めて、半導体素子それぞれの中心位置の y 軸上の距離を求めて、それの最大値と最小値との差ΔＹを算出する。
【００１４】
本発明者等の検討によれば、しかし、上述のような並び測定装置では、得られる並び精度の測定再現性（３σ）が数十 nm 程度とかなり大きく、半導体ウエハの加工後の後工程（とりわけスクライビング工程）で必要な数 nm の精度に対し精度不足であることが分かった。測定再現性（３σ）は、統計計算上の偏差を示し３σが数十 nm の場合は、全データにおいての数十 nm の範囲に 99.7 ％のデータが存在することを示す。
【００１５】
本発明者等の考察の結果、図２または図３の、１つの顕微鏡で対物レンズを交換してアライメントマークと半導体素子の位置を検出する方式で必要な測定再現性が得られない理由が明らかになった。即ち、並び精度の測定は測定装置全体を温度変化を± 1 ℃程度に抑えた恒温槽中で行うが、半導体ウエハ上の一列上の全半導体素子について並び精度を測定するのに、およそ 60 秒かかる。そして、この60秒の間に周囲温度の変化のために、測定精度が悪化してしまうことをつきとめた。
換言すると、３σ＝数十 nm の目標を達成するためには、少なくとも 60 秒の間は所定の測定精度を維持できる構成とすれば、再現性の良い並び精度測定が可能となる。そのような構成を達成するためには、並び精度測定中の被測定物の変位、並び精度測定装置を構成する部品の熱変位と経時変位を除去または減少させる必要がある。
本発明の目的は、上記要求を満足する、高精度の寸法測定装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の高精度寸法測定装置は、少なくとも測定倍率の小さい第１の光学顕微鏡と測定倍率の大きい第２の光学顕微鏡と、被測定物を保持する保持部と、上記第１と第２の光学顕微鏡の視野内に上記被測定物の保持部を移動する移動機構部と、上記被測定物の光学像を上記第１と第２の光学顕微鏡を介して撮像する第１と第２の撮像装置と、上記第１と第２の撮像装置から得られる映像信号を処理する信号処理装置と、上記移動機構部を制御する制御部からなり、上記第１の光学顕微鏡で測定した上記被測定物の位置座標に基づいて上記第２の光学顕微鏡で測定する上記被測定物の位置座標を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の一側面による高精度寸法測定装置において上記被測定物は、ウエハであり、上記第１の光学顕微鏡は、上記ウエハのアライメント用に使用され、上記第２の光学顕微鏡は、上記ウエハに形成されているパターンの測定用に使用されることを特徴とする。
また、本発明の一側面による高精度寸法測定装置において、上記第１の光学顕微鏡の測定倍率は、約５倍であり、上記第２の光学顕微鏡の測定倍率は、約２５０倍である。
【００１８】
また、本発明の一側面による高精度寸法測定装置において、更に、上記第２の光学顕微鏡を保持する基盤を有し、上記第２の光学顕微鏡は、上記基盤に支持部材により支持されると共に、上記支持部材は、上記光学顕微鏡の光軸に対して軸対象に上記基盤に支持されてい。
また、本発明の一側面による高精度寸法測定装置において、上記基盤及び上記支持部材は石材からからなる。
また、本発明の一側面による高精度寸法測定装置において、更に、照明光導入用ガイド部を備え、上記第２の光学顕微鏡は、上記被測定物を照明する照明光導入部を有し、上記照明光導入用ガイド部と上記照明光導入部が非接触で結合される。
また、本発明の一側面による高精度寸法測定装置において、上記第２の光学顕微鏡は、上記半導体ウエハに形成されているパターンの並び精度測定用に使用される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の並び精度測定装置の概念を示す図５に言及して本発明の原理について説明する。
本発明では、図５に示したように、アライメント検出用顕微鏡 100 と並び精度測定用顕微鏡 102 とをそれぞれ独立して設け、半導体ウエハ（以下、半導体ウエハ）などの被測定物 101 を共通の可動台 104 上に置く構成とした。
即ち、まず、半導体ウエハ 101 がアライメント検出用顕微鏡 100 下に位置するよう可動台を移動させて前述した方法で２箇所のアライメントマーク 49 の位置を検出する。アライメント検出用顕微鏡 100 は、アライメントマークが比較的大きいため（例えば 300 μm ）、光学倍率は低倍率で良く（例えば、5 倍）、よって温度変化は特に問題にならない。
【００２０】
検出した２つのアライメントマーク 49 の位置から半導体ウエハの位置座標（ x ，y ）及び、角度変位θを求め、先に説明した基準位置（Ｘ₀，Ｙ₀）のそれと一致するよう補正する。次に可動台 104 を x 軸に沿って動かして半導体ウエハ 47 を並び精度検出用顕微鏡下に移動させ並び精度を測定する。並び精度測定用顕微鏡 102 は、光学倍率が例えば 250 倍と高倍率であるので、測定精度再現性３σ＝数十 nm の目標を達成するためには温度変化に対して並び精度測定中の顕微鏡全体の及びその構成部品の熱変位と経時変位を除去またはできる限り減少させる必要がある。
そのような理由から、並び精度測定専用の顕微鏡 102 を独立して設けているのである。
並び精度測定専用の顕微鏡 102 を独立して設け、かつ、熱変位と経時変化を極力少なくする構造とすることが可能となる。
【００２１】
図５(a) は、ａ−ａの断面図を示している。図５(a) に示すように、並び精度測定用顕微鏡 102 は、固定部 112 に固定されている。そして、並び精度測定用顕微鏡 102 の光軸 103（即ち、顕微鏡本体の中心）とこの顕微鏡の固定部 112 の中心とが一致している。また、この固定部 112 は、該顕微鏡 102 の光軸に関して軸対称に設けた複数のボルト 108 で石天板 106 に固定されている。即ち、軸対象に固定される。このように、顕微鏡 102 は、その光軸を中心にして軸対称に固定されているので、多少の熱変位や経時変化に対して、顕微鏡の光軸がほとんど変化しないように構成されている。尚、105 は光透過用の開口、109 はプリズムを示す。
【００２２】
また、一実施例に於いて、石天板 106 を石定盤で支持する支柱 119 の材質を御影石材で構成している。御影石の熱膨張係数は約 9.10 ppm/℃であるため、熱変位誤差が約 90 nm とアルミニウムで形成した場合に比し、小さくすることが可能となる。
更に、一実施例に於いて、並び精度測定用顕微鏡 102 と被測定物照射用の光を供給する照明部 110 との接続は、物理的に非接触としている。即ち、図示しない光源から図示しない複数の光ファイバーによって光を入射された照明部 110と顕微鏡 102 とは物理的には非接触に構成されており、照明部 110 の熱が顕微鏡 102 本体に伝達されない様にしている。なお、外部からの光の影響を無くすため、顕微鏡 102 に円筒状の出っ張り部 107 を設け、その内径を、円筒状の照明部 110 の外径より大きくした入れ子構造としている。
【００２３】
一実施例に於いて、アライメント検出位置補正（ x ，y ，θの補正）を終了した後、戴置台に置くことにより測定中被測定物が動くことがなくなる。これにより被測定物を戴置台上で回転する必要がない為、戴置台と移動手段との一体化構造が可能になり、真直度補正時の誤差が減少できる。
【００２４】
以下で本発明の実施例について図面に言及して説明する。同様な部材には同様な参照符号を付す。
図６は、本発明の一実施例の並び精度測定装置の一部分を展開した正面図、図７は、本発明の一実施例の並び精度測定装置の部分立面図を含む一部分を展開した側面図を示す。この装置は、限定されないが、半導体ウエハ等内の IC パターン等の半導体素子の並び精度を検査するものである。図６の（a）、図７の（a）に示すように、定盤 31 上に、被測定物 1 をまずアライメント検出用顕微鏡 34の光軸位置に、ついで並び精度測定用顕微鏡 33 の光軸位置に位置決めするための移動機構が配設されている。即ち、定盤 31 上にはＹステージ 35 が配設されておりＹステージ 35 上にＸステージ 36 が配設されている。Ｙステージ 35 は、Ｙステージ駆動用モータ 351 で駆動されて図７の左右方向に移動し、Ｘステージ 36 は、図示されていないＸステージ駆動用モータで駆動され図６の左右方向に移動する。また、Ｘステージ 36 上には被測定物 32 を保持する吸着板（戴置台）37 が配設されている。Ｘステージ 36 の移動時の真直度（ straightness ）の補正は、被測定物を固定した吸着板 37 上の基準点から真直バー 38 までの距離を変位計ベース 40 上の変位計（測長計）39 で測定する。真直バー 38はλ／20 程度の平面度なので、Ｘステージの位置により測定値に補正が必要である。この補正処理は変位計 39 からの信号を後述の演算処理装置 280（図９）で処理して行う。並び精度測定用顕微鏡 33 及びアライメント検出用顕微鏡 34 は、定盤 31 より立ちあがっている４本の石支柱 41 上の石天板 42 に保持されている。尚、並び精度測定用顕微鏡 33 の光軸とアライメント検出用顕微鏡 34 の光軸は、本実施例においては、75 ｍｍである。
【００２５】
図６と７において、60 は複数の光ファイバーからなる照明部であり、図示しない光源からの光を顕微鏡内に導き被測定物を照明する。図６（b）は照明部 60と並び精度検出用顕微鏡 33 との結合部（図５の固定部 112 ）の断面を示す。図示のように、顕微鏡 33 にはその鏡筒部に光ファイバを受け入れるための円筒形状の出っ張り部分 62 が設けてあり、その内径は照明部 60 と物理的に非接触となるよう照明部 60 の外形より大きくなっており、いわゆる「入れ子構造」としている。この構造により、照明部 60 の熱が顕微鏡 33 に熱伝導により直接伝えられることを防止することができる。
【００２６】
図７の部分上面図（b）は並び精度測定用顕微鏡 33 の石天板 42 への固定方法を示す。並び精度測定用顕微鏡 33 は、顕微鏡の固定部或いは台座 80 を６本の固定ボルト 45 によって石天板 42 に締結することにより石天板 42 上に固定されている。これらの６本の固定用ボルト 45 は光軸 46 に対し軸対称または左右対称に配置されている。これにより、並び精度測定用顕微鏡 33 が熱により変位が生じた場合でも、光軸４６を中心に軸対象または左右対称に均等に変位が生じ、結果、光軸 46 にズレが発生しない。
【００２７】
64 は顕微鏡 34 のオートフォーカス用Ｚ軸微動機構であり、例えば特開２０００−２９８２３９号公報（ＪＰ−Ａ−２９８２３９／００）に記載のもの或いはそれと同等以上の性能を持った任意のものを使えば良い。以下で、Ｚ軸微動機構 64 を図１０〜１３に言及して詳細に説明する。図１０〜１３はそれぞれ、この機構 64 の側断面図、側面図、平面図、底面図を示す。
【００２８】
図１０は本発明の一実施例の側断面図、図１１は図１０の正面図、図１２は図１０の平面図、図１３は図１０の底面図である。201 はベースで連結板202 、203を介して図示しない鏡筒に取付けられた上部プレート 404 に固定されている。ベース 201 には上下部に、上、下より円弧切込によって形成された弾性ヒンジ 405 、406 が、光軸 407 に平行に配設されている。弾性ヒンジ 405 、 406の延長部には平行リンク 408 、409 が光軸 407 に直角な方向に配設され、その端部に上下より円弧切込によって形成された弾性ヒンジ 410 、411 が、光軸 407 に平行に配設されている。弾性ヒンジ 410 、411 の延長部には連結板 412 、413 を介して図示しない対物レンズブロックを取付けた下部プレート 414 に固定された可動ブロック 415 が配設されている。また、ベース 201 の下端には、水平方向から切込を入れた弾性ヒンジ 416 が設けられており、その延長上に水平腕 417 が配設され、そのベース側端部には水平方向から切込を入れた弾性ヒンジ 418 が、可動ブロック側には水平方向から切込を入れた弾性ヒンジ 419 が設けられており、弾性ヒンジ 416 、418 、419 は、光軸 407 に垂直な同一面上に配設されている。弾性ヒンジ 418 の上部には圧電素子 420 の下端面 221 に接する、圧電素子当接面 422 を持つ圧電素子当接ブロック 423 が形成されている。また、弾性ヒンジ 419 の連続部には連結ブロック 424 が形成され、その上端部には弾性ヒンジ 419 が形成されて水平腕 417 と可動ブロック 415 とを連結している。圧電素子 420 の上部には弾性ヒンジ 418 と９０°交差する方向から切込を入れて形成した弾性ヒンジ 427 を有する圧電素子支持ブロック 428 がベース 201に固定されている。可動ブロック 415 と上部プレート 404 の間には圧縮ばね 429 が圧縮された状態で配設されている。この動作は圧縮ばね 429 の反発力で上部プレート 404 から可動ブロック 415 を下に押すと、上部プレート 404 が連結板 202 、203 を介してベース 201 に固定されているため、ベース 201 対して可動ブロック 415 、連結ブロック 424 を介して水平腕 417 を押下げようとする。水平腕 417 は弾性ヒンジ 419 を介して下方に押され、弾性ヒンジ 416 を支点にして時計方向に回転しようとし、弾性ヒンジ 418 、圧電素子当接ブロック 423 を介して圧電素子 420 を押す。
圧電素子 420 は圧電素子支持ブロック 428 と圧電素子当接ブロック 423 に挟まれて圧縮された状態で保持される。この状態で図示しない制御装置からの制御によって、圧電素子 420 に電圧が印加され、圧電素子 420 が伸びると圧電素子当接ブロック 423 、弾性ヒンジ 418 を介して水平腕 417 を押し、水平腕 417 が、弾性ヒンジ 416 を支点にして反時計方向に回転し、連結棒 424 を介して可動ブロック 415 を押し上げる。可動ブロック 415 は弾性ヒンジ 415 、 416 、410 、411 と平行リンク 408、409 に案内されて、上方に変位する。すると、可動ブロック 415 は連結板 412 、413 、下部プレート 414 を介して対物レンズを上方に変位させる。このとき水平腕 417 は弾性ヒンジ 416 を支点とするテコとして働き、弾性ヒンジ 416 と 419 の距離が弾性ヒンジ 406 と 411 間の距離及び弾性ヒンジ 405 と 410 の間の距離と異る為、弾性ヒンジ 419 の水平方向の位置と、弾性ヒンジ 410 、411 の水平方向の変位量が相違し、また水平腕 417 の傾斜と平行リンク 409 と 408 の傾斜も相違する。しかし、水平腕 417 と可動ブロック 415 の間には弾性ヒンジ 419 と 425 及び連結ブロック 424 があるため、連結ブロック 424 が傾斜して、水平腕 417 と可動ブロック 415 の間の水平方向の位置ずれを吸収する。従って位置ずれに伴う微少なこじれが発生する事なく、可動ブロック 415 の厳密な平行変位が実現できるため真直度の再現精度が向上する。また、圧電素子 420 の上下端面は完全に平行にならないが弾性ヒンジ 418 と弾性ヒンジ 427 が９０°交差しているため、圧電素子 420 の上下端面の平行からのずれ、すなわち傾斜に対応して傾くことができ、圧電素子当接面 422 と 426 が、圧電素子 420 の上下端面に倣うことができ、従ってベース 201 と水平腕 417 の間でこじる力が働かない為に真直度の再現劣化要因が発生しない。本実施例では平行リンク 408 、409 の腕の長さ 50 mm 、弾性ヒンジの最小肉厚 0.5 mm とし、ベース 201 、可動ブロック 415 、平行リンク 408 、409 、水平腕 417 等を厚さ 40 mm の炭素鋼からワイヤカット加工により一体切出し加工を行った。この真直度は、上下移動量 100 μ m に対し、0.003 μm 以内、真直度の再現性は 0.002 μm 以内が得られた。
【００２９】
以上述べた如く、上記によれば弾性支点４節リンク機構の下部に圧電素子駆動、弾性支点テコ機構を結合し、圧電素子当接部に９０°交差する弾性支点を付加するのみで 1 nm オーダの真直度再現性を有する顕微鏡用Ｚ軸微動機構を実現できる。
【００３０】
次に、図８と９に言及して、本実施例の構成をアライメントの方法と関連させながら更に説明する。
図８（a）は図７から切り出したアライメントに関係する部分の断面を示し、図８（b）は図８（a）の１点鎖線で囲んだ部分の断面を更に詳細を示し、図８（c）は図８（b）の、吸着板 37 上に被測定物として半導体ウエハ 1 を載せた様子を示す。
【００３１】
人による手置き、または、図示しない搬送ロボットで吸着板 37 上に被測定物 32 を配置する。吸着板 37 は、掘込み構造、掘込み口 371 にＺθステージ 43が挿入されている。Ｚθステージ 43 のＺ方向（上下）及びθ方向（ｘ−ｙ平面上での回転）の移動はＺθステージ駆動部 431 によってなされる。Ｚθステージ 43 の可動部 432 には３本のリフトピン 44 配設されていて、これらのリフトピン 44 がＺ方向およびθ方向に移動および回転する。その際、リフトピン 44 が吸着板 37 に衝突しないように、吸着板 37 には、穴 372 が３個設けられている。リフトピン 44 は中空構造となっていて、Ｚθステージ 43 が動いた際、半導体ウエハ 32 がリフトピン 44 上で動かないように、図示しない真空ポンプにより、リフトピン内を真空に排気できるようになっている。Ｘステージ 36 およびＹステージ 35 を移動させ、半導体ウエハ 32 をアライメント検出用顕微鏡 34 下に位置決めし、Ｚθステージ 43 のリフトピン 44 を上昇させた後、前述した方法により半導体ウエハ 32 のｘ−ｙ平面上の位置及び傾き（θ方向の回転）を測定して座標（ x ，y ，θ）を求め、リフトピン 44 をθ回転させて半導体ウエハ 32 のθ方向の位置を調整する。その後、リフトピン 44 を下降させ吸着板 37 上に半導体ウエハ 32 を置く。
【００３２】
吸着板 37 には、Ｘステージ 36 及びＹステージ 35 が移動した際に半導体ウエハ 32 が動かないように図示しない吸着機構が設けられている。半導体ウエハ 32 の測定した位置座標（ x ，y ）は、図９の演算処理装置 280 に取り囲まれ、測定系の位置座標との間で補正が実施される。
なお、吸着板 37 および真直バー 38 は、低膨張材質を用い、かつ一体構造になっているため熱による膨張により、どちらか一方が大きな熱変位を起こすことがない。従って、精度良く真直度補正を行うことが可能である。
以上の操作で、被測定物である半導体ウエハ 32 のアライメントが完了した。
【００３３】
次に、半導体ウエハ 32 を吸着板 37 上に固定したままＸステージを移動させて、半導体ウエハ 32 を並び精度測定用顕微鏡下に配置し、並び精度の測定を実施する。
この移動は、図９の操作部 281 から操作して、ＸＹステージ制御部 287 がＸステージ駆動用モータを回転させて行う。以下で、並び精度の測定について説明する。
【００３４】
まず、並び精度測定の前段階として以下の操作を行い光軸を合わせる。
まず、半導体ウエハ 32 のθ方向の修正を以下のように行う。
x 軸及び y 軸方向の位置決め終了後、リフトビン 44 を上昇させて、半導体ウエハ 32 を吸着板 37 から z 軸方向の上側に持ち上げる。先述のように、リフトピン 44 は中空構造であり、真空チャックによって被測定物 1 を固定して支えている。それから、リフトピン 44 を回転させてθ方向の修正を行う。その後、リフトピン 44 を降下させ、半導体ウエハ 32を再び吸着板 37に接触させる。先述のように吸着板 37 にも図示しない吸着機構があり、被測定物 1 を固定する。その後、リフトピン 44 の真空チャックによる固定を解除する。
【００３５】
この後、例えば、先述のような方法で並び精度測定を始める。即ち、図１に於いて、各列の IC パターンについて左から右への順序で各 IC パターンのＹ軸上の距離を測り、IC パターンの並びのバラツキを算出する。これを、例えば、半導体ウエハ 32 の下側（オリエンテーションフラットから見て）から上側への順序で、IC パターンの各列毎に行う。
【００３６】
上述の実施例の並び精度測定装置の制御回路を示す図９に言及して、該並び精度測定装置の制御回路について説明する。
図９に於いて、アライメント検出用顕微鏡 34 或いは並び精度測定用顕微鏡 33 で投影された被写体（例えば、半導体ウエハなどの被測定物）を CCD カメラ 340 または 330 で撮像し、アライメント／並び精度演算処理装置 280 でアライメントマークの位置の測定、測定データからのウエハの（ x ，y ，θ）の算出、被測定物上の各半導体素子（例えば、ウエハ上の IC パターン等）の位置の測定、測定値に基づく並びのバラツキの計算等の処理を実行する。
【００３７】
操作部 281 が演算処理装置 280 に接続されている。演算処理装置 280 は CPU282 、ROM 283 、フレームメモリ 284 、変位計 39 からの信号を入力とする変位計測部 285 、並び精度測定用顕微鏡 33 のオートフォーカス用 Z 軸微動機構 64 を制御するZ 軸微動制御部 286 で構成される。CCD カメラで撮像された映像は、演算処理装置 285に接続されたモニタ 270 上に表示される。
【００３８】
被測定物は、XYステージ上に設置された吸着板 37 に搭載され、顕微鏡 34 または 33 の視野に移動される。この移動は、CPU 281が XY ステージ制御部 287 へ RS-232C 回線を介して命令する。また、Ｚθステージ 39 による被測定物のZ方向の移動およびθ方向（X―Y平面上での回転）の移動の制御は同じくＣＰＵ 282 がＺθステージ制御部に命令し、図示しないＺ軸移動モータおよびθ軸移動モータを駆動し、吸着板 37 を上下移動させ、また、被測定物を固定した３つのリフトビン 44 を回転させて行う。なお、並び精度測定用顕微鏡 33の対物レンズは上記オートフォーカス用Ｚ軸微動機構 64 により上下方向に微動され、合焦点を得る。
【００３９】
以上の制御方法と制御回路の構成は当業者が周知の画像処理技術を用いて、本願の開示に基づき容易に実施出来る程度のものなので、これ以上の詳述は無用であろう。なお、例えば、２００２年２月２６日出願の米国特許出願 Ser. No. 10/082120 に記載された画像処理回路を修正して実現しても良い。
本発明は、並び精度に限らず、あらゆる精密測定用の顕微鏡に用いることができる。
上記実施例の並び精度測定装置は測定再現性（３σ）が高く、極めて優れた測定精度を有するものである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の並び精度測定装置において、以上の対策を施すことにより測定再現性（３σ）が向上し、極めて優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定対象の一例としての半導体ウエハを示す図。
【図２】本発明者等が発明の過程で検討した片持ち顕微鏡取りつけ構造を示す図。
【図３】本発明者等が発明の過程で検討した被測定物を保持する保持装置の構成を示す図。
【図４】半導体ウエハ上の半導体素子の並び状態の一例を示す図。
【図５】本発明の原理を説明するための並び精度測定装置の概念図。
【図６】本発明の実施例の並び精度測定装置の一部分を展開した正面図。
【図７】図７の並び精度測定装置の一部分を展開した側面図。
【図８】図６と図７の並び精度測定装置の被測定物保持部を更に詳細に説明するための図。
【図９】電気処理部も含めた本発明の実施例の並び精度測定装置の全体を示す図。
【図１０】Ｚ軸微動機構の側断面図。
【図１１】図１０のＺ軸微動機構の側面図。
【図１２】図１０のＺ軸微動機構の平面図。
【図１３】図１０のＺ軸微動機構の底面図。
【符号の説明】
1：被測定物、 2：顕微鏡ユニット、 3：顕微鏡支持部、 4：光軸、 5：支柱、 6：石定盤、 47：半導体ウエハ、 48：オリエンテーションフラット、 49：アライメントマーク、 50：IC パターン、 100：アライメント検出用顕微鏡、 101：半導体ウエハ、 102：並び精度測定用顕微鏡、 103：光軸、 104：可動台、 105：開口、 106：石天板、 107：出っ張り部、 108：ボルト、 109：プリズム、 110：照明部、 112：固定部、 119：支柱。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-accuracy dimension measuring apparatus for measuring and inspecting the alignment accuracy of semiconductors used in, for example, a manufacturing process of a semiconductor wafer or the like.
[0002]
[Prior art]
High-precision dimension measuring devices include an alignment accuracy measuring device and an alignment measuring device.
First, alignment accuracy measurement will be described using a semiconductor wafer as an example of measurement.
FIG. 1 shows a typical semiconductor wafer. Note that this figure is for easy understanding and is not a faithful scale.
[0003]
First, a process of creating a large number of integrated circuit patterns one by one on a semiconductor wafer will be described. In the figure, for example, a semiconductor wafer 47 having a diameter of 150 mm is made of a single crystal substrate such as Si, and a fine integrated circuit pattern (hereinafter referred to as an IC pattern) is formed on the surface thereof. The orientation flat 48 is formed by cutting out one side of a circle of the semiconductor wafer 47, and is used to clarify the direction of the crystal plane and to determine the position of the semiconductor wafer 47 in the rotation axis (θ) direction. A plurality of IC patterns 50 are formed on the semiconductor wafer 47. For example, in FIG. 1, for example, one is a rectangular IC pattern 50 of 1 mm × 20 mm. In the case of FIG. 1, the IC pattern 50 is formed by, for example, performing projection exposure one by one using a lithography technique and then repeatedly performing processes such as impurity doping and diffusion.
[0004]
In order to determine the position of each IC pattern 50 on the semiconductor wafer 47 in the x, y, and θ directions during exposure, a plurality of alignment marks 49 are usually arranged on the semiconductor wafer 47, and two of them (possible) Are used to correct the position coordinates of x, y, and θ. The length of the alignment mark is, for example, 300 μm. The distance between the alignment mark and the orientation flat 48 differs depending on the semiconductor wafer, and may be displaced by, for example, about 1 mm. Therefore, first, the alignment mark is detected, and based on the detected position of the alignment mark, the semiconductor wafer 47 is aligned at an accurate position on the measuring apparatus. This is called semiconductor wafer alignment.
Next, after the semiconductor wafer is correctly aligned with the measuring apparatus, an IC chip is formed on the semiconductor wafer 47. An IC chip is formed by a combination of a plurality of IC patterns. That is, first, exposure for forming a chip is executed so as to form each IC pattern 50 at a relative distance with respect to the position of the alignment mark 49. Accordingly, the position coordinates of the alignment mark 49 are obtained, the relative positions with respect to the x, y, and θ coordinates of the measuring device are calculated and the position is corrected, and then the exposure of each IC pattern 50 is performed.
[0005]
A large number of IC patterns created on a semiconductor wafer as described above are separated into individual IC chips by a subsequent scribing process. In order to cut out individual IC chips from a semiconductor wafer on which a large number of IC patterns have been created, first, the variation in the position of one row of IC patterns relative to the alignment mark is below a predetermined reference value (for example, 10 μm or less). )Must. This is because if the variation in the alignment of ICs in a row in the scribing direction is 10 μm or more, a part of one IC pattern is cut by scribing, resulting in a defective IC chip. Therefore, before each IC pattern is cut out, the alignment mark is detected and the variation of the IC pattern position with respect to the alignment mark position, that is, the alignment accuracy is measured to determine whether it is within a predetermined variation range. It is used to measure and improve the IC manufacturing process and yield. In particular, it is necessary to measure the distance with high accuracy in order to measure the alignment accuracy.
[0006]
Prior art documents to be described could not be found.
[0007]
In the course of reaching the present invention, the inventors measure the alignment measurement device for alignment of the semiconductor wafer 47 and the alignment accuracy measurement device for measuring the alignment of the IC pattern 50 using the same microscope. Objective lenses with different magnifications are prepared for “alignment accuracy detection” for detecting the alignment variation of the above IC chips and for “alignment detection” for detecting the misalignment of the semiconductor wafer. Therefore, it was considered that the measurement was performed using one microscope. The reason for using objective lenses with different magnifications is that the size of the object to be measured is different. That is, one of the objects to be measured is a semiconductor element on a semiconductor wafer, and the size thereof is, for example, 1 mm × 20 mm or smaller as described above, and the other is an alignment mark that is a reference point on the semiconductor wafer itself. For example, the size is 300 μm.
[0008]
When one microscope is also used, measurement and alignment are performed as follows.
Initially, alignment mark detection and alignment is performed as follows:
1. Using the orientation flat 48, the semiconductor wafer 47 to be measured is positioned on the table (mounting table) on which the object to be measured is mounted and held.
2. Using the microscope objective lens with a low magnification (for example, 5 times optical magnification), the actual position of the left alignment mark 49 (X ₁ , Y ₁ ) And design position (X ₀ , Y ₀ (The field of view of the microscope at this time, that is, the display range of the image display device (not shown) is, for example, 1 mm. Further, the design position (X ₀ , Y ₀ ) Is the reference position of the mounting table, for example, the origin of the coordinate axes. ).
3. The actual position of the right alignment mark (X ₂ , Y ₂ 2) Perform the same measurement as
4). The semiconductor wafer and the inclination (θ) are calculated from the above 2 and 3 terms.
5). Calculated (X ₁ , Y ₁ ), (X ₂ , Y ₂ ) And (X ₀ , Y ₀ ) And the amount of deviation from a preset position is corrected.
[0009]
Next, change the optical system to one with a high magnification for detecting semiconductor elements (for example, optical magnification of 250 times), align the optical axis with that of the optical system, and detect the semiconductor elements as follows (alignment accuracy) )do.
1. Under the observation with the high-magnification objective lens, the semiconductor wafer 49 is moved so that the leading IC pattern position is aligned with the optical axis (the microscope field of view at this time, that is, the display range of the image display device not shown is, for example, 20 μm).
2. Measure the distance on the y-axis of the first IC pattern position.
3. The semiconductor wafer is moved to the next IC pattern position in the x direction, and the distance on the y axis of the next pattern position is obtained.
4). Repeat the process in the above three items to obtain the distance on the y-axis at each pattern position.
5). The quality of the semiconductor wafer 47 is judged based on the variation on the y-axis of the obtained pattern position.
The criteria for determining whether or not a semiconductor wafer is good is, for example, a non-defective product if the absolute value of variation on the y-axis of all IC patterns is within 5 nm, and a defective product if there is a larger IC pattern.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The problem in the case of measuring the alignment accuracy using the same microscope as described above will be described with reference to FIG. 2 showing one configuration example of the alignment accuracy measuring apparatus in the case where one microscope is also used.
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes an object to be measured, 2 a microscope unit, 3 a microscope support unit, 4 an axis of a light source for supplying light for measuring object illumination at the time of measurement, that is, the microscope unit 2 Optical axis center 5 is an aluminum column supporting the microscope unit 2, 500 is a central axis of the column 5, 6 is a stone surface plate supporting the column 5, 7 is a distance between the central axis 500 of the column 5 and the optical axis 4, Reference numeral 8 denotes a holding portion for the DUT 1. For supporting the microscope unit 2, a cantilever type in which the aluminum support 5 supports the microscope support 3, which is one end of the microscope unit 2, is used.
[0011]
In the structure of the alignment accuracy measuring apparatus shown in FIG. 2, the distance between the center axis 500 of the column 5 and the optical axis center 4 of the microscope unit 2 is large (for example, about 200 mm), and the column 5 is made of aluminum and is heated. Since the expansion coefficient is as large as 23.7 ppm / ° C, if the temperature changes by 0.05 ° C, the thermal displacement error becomes approximately 240 nm, which becomes a problem.
[0012]
Next, the measurement object holding unit 8 will be described with reference to FIG. 3 showing another configuration example of one arrangement accuracy measuring apparatus. This configuration example is also devised and studied by the present inventors in the course of carrying out the present invention.
In FIG. 3, reference numeral 10 denotes a mounting table for placing (fixing) the object to be measured 1 and holding (holding), and 11 denotes a position θ that rotates the object 1 and the mounting table 10 in the horizontal direction for alignment (alignment). A rotation mechanism 12 indicates a length meter for measuring the degree of straightness when the object to be measured is moved with respect to the microscope during the alignment accuracy measurement.
For example, in order to measure the variation in alignment between the semiconductor elements in each row on the semiconductor wafer as the object to be measured, the mounting table on which the semiconductor wafer is placed is moved along the x-axis and each semiconductor element on the semiconductor wafer is moved. It is necessary to measure the distance on the y axis.
It is ideal that the mounting table 10 on which the semiconductor wafer is placed moves straight while moving, but the mounting table 10 is actually moving with some waggling or wobbling. Therefore, the movement of the mounting table is corrected using the length meter 12.
[0013]
Next, a method for measuring the alignment accuracy will be described with reference to FIG. 4 showing an enlarged arrangement state of semiconductor elements (IC patterns) on a semiconductor wafer (hereinafter referred to as a semiconductor wafer) 47.
In the figure, 20 is a semiconductor element on a semiconductor wafer, 21 is a semiconductor wafer, and an alignment mark indicating a reference point of the semiconductor element arrangement dimension on the semiconductor wafer. 22 and 23 respectively represent the x-axis and y-axis in the horizontal direction on the semiconductor element arrangement on the semiconductor wafer. Each semiconductor element is magnified with a microscope while moving the semiconductor wafer in the x-axis direction with respect to the microscope. For example, the maximum and minimum arrangement differences on the y-axis at positions T0 to Tn of each semiconductor element 20 imaged by the CCD camera ΔY is detected. That is, the semiconductor wafer is moved to each Tn position on the x-axis (where n = 0, 1, 2,..., N), magnified with a microscope, and imaged with a CCD camera. The center position of a semiconductor element having a predetermined size at each captured position T0-Tn is obtained by image processing, the distance on the y-axis of the center position of each semiconductor element is obtained, and the maximum and minimum values thereof A difference ΔY is calculated.
[0014]
According to the study by the present inventors, however, in the alignment measuring apparatus as described above, the measurement reproducibility (3σ) of the alignment accuracy obtained is considerably large as about several tens of nm, and the post-process after processing the semiconductor wafer ( In particular, it was found that the accuracy of several nanometers required for the scribing process was insufficient. The measurement reproducibility (3σ) indicates a statistical calculation deviation, and when 3σ is several tens of nm, it indicates that 99.7% of data exists in the range of several tens of nm in all data.
[0015]
As a result of the study by the present inventors, the reason why the required measurement reproducibility cannot be obtained by the method of detecting the position of the alignment mark and the semiconductor element by exchanging the objective lens with one microscope shown in FIG. 2 or FIG. Became. In other words, the alignment accuracy is measured in a constant temperature chamber where the temperature change is suppressed to about ± 1 ° C, but it takes about 60 seconds to measure the alignment accuracy for all the semiconductor elements on one line on the semiconductor wafer. Take it. It was also found that the measurement accuracy deteriorated during this 60 seconds due to the change in ambient temperature.
In other words, in order to achieve the target of 3σ = several tens of nm, it is possible to measure the alignment accuracy with good reproducibility if the configuration can maintain the predetermined measurement accuracy for at least 60 seconds. In order to achieve such a configuration, it is necessary to remove or reduce the displacement of the measurement object during the alignment accuracy measurement, and the thermal displacement and the temporal displacement of the components constituting the alignment accuracy measuring device.
An object of the present invention is to provide a highly accurate dimension measuring apparatus that satisfies the above requirements.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a high-accuracy dimension measuring device of the present invention includes at least a first optical microscope having a small measurement magnification, a second optical microscope having a large measurement magnification, a holding unit for holding an object to be measured, A moving mechanism that moves the holding part of the object to be measured within the field of view of the first and second optical microscopes, and an optical image of the object to be measured is picked up via the first and second optical microscopes. The first optical microscope includes first and second imaging devices, a signal processing device that processes video signals obtained from the first and second imaging devices, and a control unit that controls the moving mechanism unit. The position coordinates of the measurement object measured by the second optical microscope are controlled based on the position coordinates of the measurement object measured in step (1).
[0017]
In the high-precision dimension measuring apparatus according to one aspect of the present invention, the object to be measured is a wafer, the first optical microscope is used for alignment of the wafer, and the second optical microscope is It is used for measuring a pattern formed on a wafer.
In the high-precision dimension measuring apparatus according to one aspect of the present invention, the measurement magnification of the first optical microscope is about 5 times, and the measurement magnification of the second optical microscope is about 250 times.
[0018]
The high-precision dimension measuring apparatus according to one aspect of the present invention further includes a base for holding the second optical microscope, and the second optical microscope is supported on the base by a support member, The support member is supported on the base so as to be axial with respect to the optical axis of the optical microscope.
In the high-precision dimension measuring apparatus according to one aspect of the present invention, the base and the support member are made of stone.
Further, in the high-accuracy dimension measuring apparatus according to one aspect of the present invention, the illumination apparatus further includes an illumination light introduction guide unit, and the second optical microscope includes an illumination light introduction unit that illuminates the object to be measured, The illumination light introduction guide portion and the illumination light introduction portion are coupled in a non-contact manner.
In the high-accuracy dimension measuring apparatus according to one aspect of the present invention, the second optical microscope is used for measuring the alignment accuracy of patterns formed on the semiconductor wafer.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The principle of the present invention will be described with reference to FIG. 5 showing the concept of the alignment accuracy measuring apparatus of the present invention.
In the present invention, as shown in FIG. 5, an alignment detection microscope 100 and an accuracy measurement microscope 102 are provided independently of each other, and a measurement object 101 such as a semiconductor wafer (hereinafter, semiconductor wafer) is commonly moved. It was set up on the stand 104.
That is, first, the movable table is moved so that the semiconductor wafer 101 is positioned under the alignment detection microscope 100, and the positions of the two alignment marks 49 are detected by the method described above. Since the alignment detection microscope 100 has a relatively large alignment mark (for example, 300 μm), the optical magnification may be a low magnification (for example, 5 times), and the temperature change is not particularly problematic.
[0020]
The position coordinates (x, y) of the semiconductor wafer and the angular displacement θ are obtained from the detected positions of the two alignment marks 49, and the reference position (X ₀ , Y ₀ ) To match with that of). Next, the movable stage 104 is moved along the x-axis, the semiconductor wafers 47 are aligned and moved under the accuracy detection microscope, and the alignment accuracy is measured. The alignment accuracy measuring microscope 102 has an optical magnification as high as 250 times, for example, so that in order to achieve the measurement accuracy reproducibility of 3σ = several tens of nanometers, the entire microscope during alignment accuracy measurement against temperature changes It is necessary to eliminate or reduce as much as possible the thermal and temporal displacement of the and its components.
For this reason, the microscope 102 dedicated to the alignment accuracy measurement is provided independently.
It is possible to provide a microscope 102 for measuring the alignment accuracy independently, and to minimize thermal displacement and change with time.
[0021]
FIG. 5A shows a cross-sectional view taken along the line aa. As shown in FIG. 5 (a), the alignment accuracy measuring microscope 102 is fixed to a fixing portion 112. Then, the optical axis 103 (that is, the center of the microscope main body) of the alignment accuracy measuring microscope 102 coincides with the center of the fixed portion 112 of the microscope. Further, the fixing portion 112 is fixed to the stone top plate 106 with a plurality of bolts 108 that are provided symmetrically with respect to the optical axis of the microscope 102. That is, it is fixed to the axis object. As described above, the microscope 102 is fixed so as to be axially symmetric with respect to the optical axis thereof, so that the optical axis of the microscope hardly changes with respect to some thermal displacement or change with time. Reference numeral 105 denotes a light transmitting opening, and 109 denotes a prism.
[0022]
In one embodiment, the material of the column 119 that supports the stone top plate 106 with a stone surface plate is made of granite. Granite has a coefficient of thermal expansion of about 9.10 ppm / ° C, so the thermal displacement error is about 90 nm, which is smaller than when it is made of aluminum.
Further, in one embodiment, the connection between the alignment accuracy measuring microscope 102 and the illumination unit 110 that supplies light for irradiating the object to be measured is physically non-contact. In other words, the illumination unit 110 and the microscope 102, which are irradiated with light from a light source (not shown) through a plurality of optical fibers (not shown), are configured to be physically non-contact, so that the heat of the illumination unit 110 is not transmitted to the main body of the microscope 102. I have to. In order to eliminate the influence of light from the outside, the microscope 102 is provided with a cylindrical protruding portion 107, and the inner diameter thereof is larger than the outer diameter of the cylindrical illumination portion 110.
[0023]
In one embodiment, after the alignment detection position correction (correction of x, y, and θ) is completed, the object to be measured does not move during measurement by placing it on the mounting table. As a result, it is not necessary to rotate the object to be measured on the mounting table, so that an integrated structure of the mounting table and the moving means is possible, and errors during straightness correction can be reduced.
[0024]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Like members are given like reference numerals.
FIG. 6 is a front view in which a part of the alignment accuracy measuring apparatus according to an embodiment of the present invention is developed. FIG. 7 is a side view in which a part of the alignment accuracy measuring apparatus according to an embodiment of the present invention is expanded including a partial elevation view. The figure is shown. This apparatus is not limited, but inspects the alignment accuracy of semiconductor elements such as IC patterns in a semiconductor wafer or the like. As shown in FIGS. 6 (a) and 7 (a), the object to be measured 1 is first placed on the surface plate 31 at the optical axis position of the alignment detection microscope 34, and then aligned with the light of the accuracy measurement microscope 33. A moving mechanism for positioning at the shaft position is provided. That is, the Y stage 35 is disposed on the surface plate 31, and the X stage 36 is disposed on the Y stage 35. The Y stage 35 is driven by a Y stage driving motor 351 and moves in the left-right direction in FIG. 7, and the X stage 36 is driven by an X stage driving motor (not shown) and moves in the left-right direction in FIG. On the X stage 36, a suction plate (mounting table) 37 for holding the object 32 to be measured is disposed. The straightness during the movement of the X stage 36 is corrected by measuring the distance from the reference point on the suction plate 37 to which the object to be measured is fixed to the straight bar 38 to the displacement meter (length meter) 39 on the displacement meter base 40. Measure with Since the straight bar 38 has a flatness of about λ / 20, the measurement value needs to be corrected depending on the position of the X stage. This correction processing is performed by processing a signal from the displacement meter 39 by an arithmetic processing unit 280 (FIG. 9) described later. The alignment accuracy measurement microscope 33 and the alignment detection microscope 34 are held on a stone top plate 42 on four stone columns 41 rising from a surface plate 31. The optical axis of the alignment accuracy measuring microscope 33 and the optical axis of the alignment detecting microscope 34 are 75 mm in this embodiment.
[0025]
6 and 7, reference numeral 60 denotes an illuminating unit made up of a plurality of optical fibers, which illuminates the object to be measured by introducing light from a light source (not shown) into the microscope. FIG. 6B shows a cross-section of the coupling portion (fixing portion 112 in FIG. 5) with the illumination unit 60 and the accuracy detection microscope 33. As shown in the figure, the microscope 33 is provided with a cylindrical protruding portion 62 for receiving an optical fiber in the lens barrel, and the inner diameter of the microscope 33 is not in contact with the illumination unit 60. It is larger than the outer shape and has a so-called “nested structure”. With this structure, it is possible to prevent the heat of the illumination unit 60 from being directly transferred to the microscope 33 by heat conduction.
[0026]
The partial top view (b) of FIG. 7 shows a method of fixing the alignment accuracy measuring microscope 33 to the stone top plate 42. The alignment accuracy measuring microscope 33 is fixed on the stone top plate 42 by fastening the fixed portion or pedestal 80 of the microscope to the stone top plate 42 with six fixing bolts 45. These six fixing bolts 45 are arranged symmetrically or symmetrically with respect to the optical axis 46. As a result, even when the alignment accuracy measuring microscope 33 is displaced due to heat, the optical axis 46 is centered on the optical axis 46 or is displaced evenly symmetrically. As a result, the optical axis 46 is not displaced.
[0027]
Reference numeral 64 denotes a Z-axis fine movement mechanism for autofocusing of the microscope 34. For example, one described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-298239 (JP-A-298239 / 00) or any one having performance equivalent to or higher than that can be used. It ’s fine. Hereinafter, the Z-axis fine movement mechanism 64 will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 13 show a side sectional view, a side view, a plan view, and a bottom view of the mechanism 64, respectively.
[0028]
10 is a side sectional view of one embodiment of the present invention, FIG. 11 is a front view of FIG. 10, FIG. 12 is a plan view of FIG. 10, and FIG. 13 is a bottom view of FIG. Reference numeral 201 denotes a base that is fixed to an upper plate 404 attached to a lens barrel (not shown) via connecting plates 202 and 203. In the base 201, elastic hinges 405 and 406 formed by arc cutting from above and below are arranged in parallel with the optical axis 407 in the upper and lower portions. Parallel links 408, 409 are arranged in the direction perpendicular to the optical axis 407 at the extended portions of the elastic hinges 405, 406, and the elastic hinges 410, 411 formed by circular arc cuts at the upper and lower ends thereof are provided on the optical axis. 407 is arranged in parallel. A movable block 415 fixed to a lower plate 414 to which an objective lens block (not shown) is attached is disposed on the extension portions of the elastic hinges 410 and 411 via connecting plates 412 and 413. In addition, an elastic hinge 416 which is cut from the horizontal direction is provided at the lower end of the base 201, and a horizontal arm 417 is provided on the extension, and a cut is made from the horizontal direction at the base side end. An elastic hinge 418 with a slit is provided on the movable block side, and an elastic hinge 419 with a horizontal notch is provided on the movable block side, and the elastic hinges 416, 418, 419 are arranged on the same plane perpendicular to the optical axis 407. It is installed. A piezoelectric element contact block 423 having a piezoelectric element contact surface 422 that contacts the lower end surface 221 of the piezoelectric element 420 is formed on the elastic hinge 418. In addition, a connecting block 424 is formed at a continuous portion of the elastic hinge 419, and an elastic hinge 419 is formed at the upper end portion thereof to connect the horizontal arm 417 and the movable block 415. A piezoelectric element support block 428 having an elastic hinge 427 formed by cutting from the direction intersecting with the elastic hinge 418 by 90 ° is fixed to the base 201 at the upper part of the piezoelectric element 420. A compression spring 429 is disposed between the movable block 415 and the upper plate 404 in a compressed state. When the movable block 415 is pushed down from the upper plate 404 by the repulsive force of the compression spring 429, the upper plate 404 is fixed to the base 201 via the connecting plates 202 and 203. 415, the horizontal arm 417 is pushed down via the connecting block 424. The horizontal arm 417 is pushed downward through the elastic hinge 419, tries to rotate clockwise around the elastic hinge 416, and pushes the piezoelectric element 420 through the elastic hinge 418 and the piezoelectric element contact block 423.
The piezoelectric element 420 is held between the piezoelectric element support block 428 and the piezoelectric element contact block 423 in a compressed state. In this state, a voltage is applied to the piezoelectric element 420 by control from a control device (not shown). When the piezoelectric element 420 is extended, the horizontal arm 417 is pushed through the piezoelectric element contact block 423 and the elastic hinge 418, and the horizontal arm 417 is Then, it rotates counterclockwise around the elastic hinge 416 as a fulcrum, and pushes up the movable block 415 via the connecting rod 424. The movable block 415 is guided upward by the elastic hinges 415, 416, 410, 411 and the parallel links 408, 409 and displaced upward. Then, the movable block 415 displaces the objective lens upward via the connecting plates 412 and 413 and the lower plate 414. At this time, the horizontal arm 417 acts as a lever with the elastic hinge 416 as a fulcrum, and the distance between the elastic hinges 416 and 419 is different from the distance between the elastic hinges 406 and 411 and the distance between the elastic hinges 405 and 410. The horizontal position of 419 and the horizontal displacement of the elastic hinges 410 and 411 are different, and the inclination of the horizontal arm 417 and the inclination of the parallel links 409 and 408 are also different. However, since there are the elastic hinges 419 and 425 and the connecting block 424 between the horizontal arm 417 and the movable block 415, the connecting block 424 is inclined to cause a horizontal displacement between the horizontal arm 417 and the movable block 415. Absorb. Therefore, since the exact parallel displacement of the movable block 415 can be realized without causing a slight twist due to the displacement, the straightness reproduction accuracy is improved. In addition, the upper and lower end surfaces of the piezoelectric element 420 are not completely parallel, but the elastic hinge 418 and the elastic hinge 427 intersect each other by 90 °, so that the upper and lower end surfaces of the piezoelectric element 420 are inclined in accordance with the inclination, that is, the inclination. The piezoelectric element abutment surfaces 422 and 426 can follow the upper and lower end surfaces of the piezoelectric element 420.Therefore, since the twisting force does not act between the base 201 and the horizontal arm 417, the straightness degradation factor is Does not occur. In this embodiment, the arm length of the parallel links 408 and 409 is 50 mm, the minimum thickness of the elastic hinge is 0.5 mm, and the base 201, the movable block 415, the parallel links 408 and 409, the horizontal arm 417, etc. are 40 mm thick. Integrated cutting was performed from carbon steel by wire cutting. This straightness was within 0.003 μm for a vertical movement of 100 μm, and the reproducibility of straightness was within 0.002 μm.
[0029]
As described above, according to the above, a piezoelectric element drive and an elastic fulcrum lever mechanism are coupled to the lower part of the elastic fulcrum four-joint link mechanism, and an elastic fulcrum that intersects 90 ° is added to the piezoelectric element abutting portion. It is possible to realize a Z-axis fine movement mechanism for a microscope having straightness reproducibility.
[0030]
Next, with reference to FIGS. 8 and 9, the configuration of this embodiment will be further described in connection with the alignment method.
8A shows a cross section of a portion related to the alignment cut out from FIG. 7, FIG. 8B shows further details of the cross section of the portion surrounded by the one-dot chain line in FIG. FIG. 8C shows a state in which the semiconductor wafer 1 is placed on the suction plate 37 as an object to be measured in FIG.
[0031]
The object to be measured 32 is placed on the suction plate 37 by hand placement by a person or by a transfer robot (not shown). The suction plate 37 has a digging structure, and a Zθ stage 43 is inserted into a digging opening 371. Movement of the Zθ stage 43 in the Z direction (up and down) and θ direction (rotation on the xy plane) is performed by a Zθ stage drive unit 431. Three lift pins 44 are disposed on the movable portion 432 of the Zθ stage 43, and these lift pins 44 move and rotate in the Z direction and the θ direction. At this time, the suction plate 37 is provided with three holes 372 so that the lift pins 44 do not collide with the suction plate 37. The lift pins 44 have a hollow structure, and the inside of the lift pins can be evacuated by a vacuum pump (not shown) so that the semiconductor wafer 32 does not move on the lift pins 44 when the Zθ stage 43 moves. The X stage 36 and the Y stage 35 are moved, the semiconductor wafer 32 is positioned under the alignment detection microscope 34, the lift pins 44 of the Zθ stage 43 are raised, and then the xy plane of the semiconductor wafer 32 by the method described above. The coordinates (x, y, θ) are obtained by measuring the position and inclination (rotation in the θ direction), and the lift pin 44 is rotated by θ to adjust the position of the semiconductor wafer 32 in the θ direction. Thereafter, the lift pins 44 are lowered and the semiconductor wafer 32 is placed on the suction plate 37.
[0032]
The suction plate 37 is provided with a suction mechanism (not shown) so that the semiconductor wafer 32 does not move when the X stage 36 and the Y stage 35 move. The measured position coordinates (x, y) of the semiconductor wafer 32 are surrounded by the arithmetic processing unit 280 of FIG. 9, and are corrected with respect to the position coordinates of the measurement system.
Note that the suction plate 37 and the straight bar 38 are made of a low expansion material and have an integral structure, so that either of them does not cause a large thermal displacement due to thermal expansion. Therefore, straightness correction can be performed with high accuracy.
With the above operation, the alignment of the semiconductor wafer 32 as the object to be measured is completed.
[0033]
Next, the X stage is moved while the semiconductor wafer 32 is fixed on the suction plate 37, the semiconductor wafer 32 is arranged under the accuracy measuring microscope, and the alignment accuracy is measured.
This movement is performed by operating the operation unit 281 in FIG. 9 and the XY stage control unit 287 rotating the X stage driving motor. Hereinafter, the measurement of the alignment accuracy will be described.
[0034]
First, the optical axis is aligned by performing the following operation as a pre-stage of alignment accuracy measurement.
First, the correction of the θ direction of the semiconductor wafer 32 is performed as follows.
After completion of positioning in the x-axis and y-axis directions, the lift bin 44 is raised to lift the semiconductor wafer 32 from the suction plate 37 to the upper side in the z-axis direction. As described above, the lift pin 44 has a hollow structure, and the object to be measured 1 is fixed and supported by a vacuum chuck. Then, the lift pin 44 is rotated to correct the θ direction. Thereafter, the lift pins 44 are lowered, and the semiconductor wafer 32 is brought into contact with the suction plate 37 again. As described above, the suction plate 37 also has a suction mechanism (not shown) to fix the object 1 to be measured. Thereafter, the lift pin 44 is released from the vacuum chuck.
[0035]
After this, for example, alignment accuracy measurement is started by the method described above. That is, in FIG. 1, the IC pattern in each column is measured in the order from left to right in the order from left to right, and the distance on the Y axis of each IC pattern is measured to calculate the variation in the arrangement of the IC patterns. This is performed for each column of the IC pattern, for example, in order from the lower side (seen from the orientation flat) of the semiconductor wafer 32 to the upper side.
[0036]
The control circuit of the alignment accuracy measuring apparatus will be described with reference to FIG. 9 showing the control circuit of the alignment accuracy measuring apparatus of the above-described embodiment.
In FIG. 9, an object (for example, an object to be measured such as a semiconductor wafer) projected by the alignment detection microscope 34 or the alignment accuracy measurement microscope 33 is imaged by a CCD camera 340 or 330, and alignment / alignment accuracy calculation processing is performed. Measurement of the alignment mark position with the device 280, calculation of (x, y, θ) of the wafer from the measurement data, measurement of the position of each semiconductor element on the object to be measured (for example, IC pattern on the wafer), measurement Processing such as calculation of the variation in the arrangement based on the value is executed.
[0037]
An operation unit 281 is connected to the arithmetic processing unit 280. The arithmetic processing unit 280 includes a CPU 282, a ROM 283, a frame memory 284, a displacement measurement unit 285 that receives signals from the displacement meter 39, and a Z-axis fine movement that controls the autofocus Z-axis fine movement mechanism 64 of the alignment accuracy measurement microscope 33. It consists of a control unit 286. The image captured by the CCD camera is displayed on a monitor 270 connected to the arithmetic processing unit 285.
[0038]
The object to be measured is mounted on the suction plate 37 installed on the XY stage and moved to the field of view of the microscope 34 or 33. This movement is instructed by the CPU 281 to the XY stage controller 287 via the RS-232C line. Similarly, the CPU 282 commands the Zθ stage controller to control the movement of the object to be measured in the Z direction and the movement in the θ direction (rotation on the XY plane) by the Zθ stage 39. And the θ axis moving motor is driven to move the suction plate 37 up and down, and the three lift bins 44 to which the object to be measured is fixed are rotated. The objective lens of the alignment accuracy measuring microscope 33 is finely moved in the vertical direction by the autofocus Z-axis fine movement mechanism 64 to obtain a focal point.
[0039]
The above control method and control circuit configuration are those that can be easily implemented by those skilled in the art based on the disclosure of the present application using a well-known image processing technique, so that further details will not be necessary. For example, the image processing circuit described in US Patent Application Ser. No. 10/082120 filed on Feb. 26, 2002 may be modified and realized.
The present invention is not limited to the alignment accuracy and can be used for any precision measuring microscope.
The arrangement accuracy measuring apparatus of the above embodiment has high measurement reproducibility (3σ) and has extremely excellent measurement accuracy.
[0040]
【The invention's effect】
In the arrangement accuracy measuring apparatus of the present invention, by taking the above measures, measurement reproducibility (3σ) is improved, and an extremely excellent effect is exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a semiconductor wafer as an example of an object to be measured.
FIG. 2 is a diagram showing a cantilever microscope mounting structure examined by the inventors in the course of the invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a holding device that holds an object to be measured examined by the inventors in the course of the invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an arrangement state of semiconductor elements on a semiconductor wafer.
FIG. 5 is a conceptual diagram of an alignment accuracy measuring apparatus for explaining the principle of the present invention.
FIG. 6 is an exploded front view of a part of the alignment accuracy measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
7 is a side view in which a part of the alignment accuracy measuring device in FIG. 7 is developed.
FIG. 8 is a view for explaining in more detail a measured object holding unit of the alignment accuracy measuring apparatus of FIGS. 6 and 7;
FIG. 9 is a diagram showing an entire arrangement accuracy measuring apparatus according to an embodiment of the present invention including an electric processing unit.
FIG. 10 is a side sectional view of a Z-axis fine movement mechanism.
11 is a side view of the Z-axis fine movement mechanism of FIG.
12 is a plan view of the Z-axis fine movement mechanism of FIG.
13 is a bottom view of the Z-axis fine movement mechanism of FIG.
[Explanation of symbols]
1: object to be measured, 2: microscope unit, 3: microscope support, 4: optical axis, 5: support, 6: stone surface plate, 47: semiconductor wafer, 48: orientation flat, 49: alignment mark, 50: IC Pattern: 100: Microscope for alignment detection, 101: Semiconductor wafer, 102: Microscope for measuring alignment accuracy, 103: Optical axis, 104: Movable stand, 105: Opening, 106: Stone top plate, 107: Protruding part, 108: Bolt 109: Prism, 110: Illumination part, 112: Fixed part, 119: Prop.

Claims

At least a first optical microscope having a small measurement magnification, a second optical microscope having a large measurement magnification, a holding unit for holding the measurement object, and the measurement object in the field of view of the first and second optical microscopes. A moving mechanism that moves the holding unit, first and second imaging devices that capture an optical image of the object to be measured via the first and second optical microscopes, and the first and second imaging A signal processing device that processes a video signal obtained from the device, a control unit that controls the moving mechanism unit, and an illumination light introduction guide unit , and the second optical microscope illuminates the object to be measured. An illumination light introduction guide unit and the illumination light introduction unit are coupled in a non-contact manner, and the second light source is based on the position coordinates of the object measured by the first optical microscope. Control the position coordinates of the object measured with an optical microscope Precision linear measurement apparatus according to claim.

The high-accuracy dimension measuring device according to claim 1,
The object to be measured is a wafer,
The first optical microscope is used for alignment of the wafer,
The high-precision dimension measuring apparatus, wherein the second optical microscope is used for measuring a pattern formed on the wafer.

3. The high-precision dimension measuring apparatus according to claim 2, further comprising a base for holding the second optical microscope, wherein the second optical microscope is supported on the base by a support member and the support member. Is a high-accuracy dimension measuring device supported by the base on an axis subject to the optical axis of the optical microscope.