JP3882588B2 - マーク位置検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の被検マークの位置を検出するマーク位置検出装置に関し、特に、半導体素子などの製造工程における高精度な位置検出に好適なマーク位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち露光工程の前に、マスクと基板とのアライメントを行い、さらに、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。
【０００５】
ちなみに、マスクと基板とのアライメント（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントであり、各々の回路パターンの基準位置を示すマークを用いて行われる。
また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査であり、下地パターンおよびレジストパターンの各々の基準位置を示すマークを用いて行われる。
【０００６】
そして、上記したアライメントや重ね合わせ検査のためのマークの位置検出は、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いてマークの像を撮像し、得られた画像信号に対して画像処理を施すことにより行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のマーク位置検出装置では、撮像素子の撮像面上にマークの像を形成する結像光学系は歪曲収差（ディストーション）を持っており、マークの位置を正確に検出できない要因となっているが、この歪曲収差を完全に取り除くことは困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、マークの像を形成する結像光学系に歪曲収差が残存していても、マークの位置を正確に検出できるマーク位置検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマーク位置検出装置は、基板上の被検マークを照明する照明手段と、複数のレンズを備え、前記被検マークからの光を結像して、前記被検マークの像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の一部のレンズを前記結像光学系の光軸に垂直な軸を中心としてチルト可能に支持するとともに、前記結像光学系の歪曲収差を調整する光学素子支持手段と、前記結像光学系によって形成された前記被検マークの像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記被検マークの位置を算出する算出手段と、前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記結像光学系の歪曲収差の分布状態を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果に基づいて前記光学素子支持手段を制御し、前記一部のレンズのチルト状態を調整する制御手段と、前記光軸を中心として前記基板を回転可能に支持する基板支持手段とを備え、前記測定手段は、前記基板支持手段を制御して前記基板の回転状態を調整し、前記基板を１８０度回転させる前後の状態で前記撮像手段から前記画像信号を各々入力して、前記歪曲収差の分布状態を測定するものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載したマーク位置検出装置において、前記制御手段は、当該装置の視野の中心に対して前記歪曲収差の分布状態が対称となるように、前記一部のレンズのチルト状態を調整するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載したマーク位置検出装置において、前記光学素子支持手段は、前記結像光学系の他の一部のレンズを前記光軸に垂直な軸に沿ってシフト可能に支持し、前記制御手段は、前記一部のレンズのチルト状態を調整後、前記他の一部のレンズをシフトさせて、前記結像光学系のコマ収差を補正するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項３に対応する。
ここでは、本実施形態のマーク位置検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１４】
重ね合わせ測定装置１０は、図１(ａ)に示すように、被検物体であるウエハ１１（基板）を支持する検査ステージ１２と、検査ステージ１２上のウエハ１１に対する照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１８)と、照明光Ｌ１によって照明されたウエハ１１の像を形成する結像光学系(１９〜２４)と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理装置２６と、制御装置２７とで構成されている。
【００１５】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、被検物体であるウエハ１１の説明を行う。
ウエハ１１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００１６】
そして、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１には、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２(ａ)は重ね合わせマーク３０の平面図、図２(ｂ)は断面図である。
重ね合わせマーク３０は、図２(ａ),(ｂ)に示すように、大きさが異なる矩形状の下地マーク３１とレジストマーク３２とからなる。下地マーク３１は、下地パターンと同時に形成され、下地パターンの基準位置を示す。レジストマーク３２は、レジストパターンと同時に形成され、レジストパターンの基準位置を示す。下地マーク３１,レジストマーク３２は、各々、請求項の「被検マーク」に対応する。
【００１７】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２およびレジストパターンと、下地マーク３１および下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査後、レジストマーク３２が下地マーク３１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対して正確に重ね合わされている場合に、レジストパターンを介して実際に加工される。
【００１８】
なお、上記の重ね合わせマーク３０は、重ね合わせ測定装置１０を構成する結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整にも用いられる。詳細は後述するが、重ね合わせマーク３０を用いた結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査前に行われる。
さらに、ウエハ１１には、ライン＆スペースマーク３３が形成されている。ライン＆スペースマーク３３は、図３(ａ),(ｂ)に示すように、線幅が３μｍ、ピッチが６μｍ、段差が８５ｎｍ(測定波長λの１/８程度)である。図３(ａ)はライン＆スペースマーク３３の平面図、図３(ｂ)は断面図である。
【００１９】
このライン＆スペースマーク３３は、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整に用いられる。詳細は後述するが、ライン＆スペースマーク３３を用いた微調整は、上記の重ね合わせマーク３０を用いた結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整後であって、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査前の段階で、必要に応じて行われる。
【００２０】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
重ね合わせ測定装置１０の検査ステージ１２は、ウエハ１１を水平状態に保ちながら支持すると共に、ウエハ１１を水平方向(ＸＹ方向),鉛直方向(Ｚ方向),回転方向(θ方向)に移動させる。検査ステージ１２およびウエハ１１の回転は、結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２を中心として行われる。光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。検査ステージ１２は、請求項の「基板支持手段」に対応する。
【００２１】
照明光学系(１３〜１８)は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３と照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５と視野絞り１６と照明リレーレンズ１７とハーフプリズム１８とで構成されている。ハーフプリズム１８は、反射透過面１８ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１８)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２２】
また、照明光学系(１３〜１８)の光源１３は、白色光を射出する。照明開口絞り１４は、光源１３から射出された光の径を特定の径に制限する。この照明開口絞り１４は、光軸Ｏ１に対してシフト可能に支持されている。照明開口絞り１４のシフト状態の調整は、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われ、結果として、照明光学系(１３〜１８)が微調整される。
【００２３】
コンデンサーレンズ１５は、照明開口絞り１４からの光を集光する。視野絞り１６は、重ね合わせ測定装置１０の視野を制限する光学素子であり、図１(ｂ)に示すように、矩形状の開口である１つのスリット１６ａを有する。照明リレーレンズ１７は、視野絞り１６のスリット１６ａからの光をコリメートする。ハーフプリズム１８は、照明リレーレンズ１７からの光を反射して結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２上に導く（照明光Ｌ１）。
【００２４】
結像光学系(１９〜２４)は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０,２１と第１結像リレーレンズ２２と結像開口絞り２３と第２結像リレーレンズ２４とで構成されている。第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０,２１との間には、上記したハーフプリズム１８が配置されている。
第１対物レンズ１９は、ハーフプリズム１８からの照明光Ｌ１をウエハ１１上に集光すると共に、ウエハ１１から発生した光（反射光Ｌ２）をコリメートする。上記のハーフプリズム１８は、第１対物レンズ１９からの光を透過する。第２対物レンズ２０,２１は、ハーフプリズム１８からの光を１次結像面１０ａ上に結像する。
【００２５】
また、第２対物レンズ２０,２１は、第１群２０と第２群２１との２群構成である。第１群２０を支持する支持部材２０ａと第２群２１を支持する支持部材２１ａは、請求項の「光学素子支持手段」に対応する。
第２対物レンズの第１群２０は、所定のパワーを持つレンズ系であり、光軸Ｏ２に垂直なＸ軸およびＹ軸を中心としてチルト可能に支持されている。チルト可能とは、第１群２０自体の光軸を結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２に対して傾斜可能なことを意味する。
【００２６】
第２対物レンズの第２群２１は、パワーを持たないアフォーカル系であり、光軸Ｏ２に垂直な軸に沿ってＸＹ面内でシフト可能に支持されている。シフト可能とは、第２群２１自体の光軸を結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２に対して傾斜させることなく平行移動可能なことを意味する。
第１群２０のチルト状態の調整は、上記の重ね合わせマーク３０（図２）を用いて行われ、結果として、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が調整される。また、第２群２１のシフト状態の調整は、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われ、結果として、結像光学系(１９〜２４)が微調整される。第１群２０は、請求項の「結像光学系の一部の光学素子」に対応する。第２群２１は「結像光学系の他の一部の光学素子」に対応する。
【００２７】
第１結像リレーレンズ２２は、第２対物レンズ２０,２１からの光をコリメートする。結像開口絞り２３は、第１結像リレーレンズ２２からの光の径を特定の径に制限する。この結像開口絞り２３は、光軸Ｏ２に対してシフト可能に支持されている。結像開口絞り２３のシフト状態の調整は、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われ、結果として、結像光学系(１９〜２４)が微調整される。第２結像リレーレンズ２４は、結像開口絞り２３からの光をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面（２次結像面）上に再結像する。
【００２８】
このように構成された照明光学系(１３〜１８)と結像光学系(１９〜２４)において、光源１３から射出された光は、照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５とを介して、視野絞り１６を均一に照明する。そして、視野絞り１６のスリット１６ａを通過した光は、照明リレーレンズ１７とハーフプリズム１８とを介して第１対物レンズ１９に導かれ、第１対物レンズ１９を透過して光軸Ｏ２に略平行な照明光Ｌ１となる。照明光Ｌ１は、検査ステージ１２上のウエハ１１を略垂直に照明する。
【００２９】
ウエハ１１に入射する照明光Ｌ１の入射角度範囲は、第１対物レンズ１９の瞳に共役な面に配置された照明開口絞り１４の絞り径によって決まる。また、視野絞り１６とウエハ１１とは共役な位置関係にあるため、ウエハ１１の表面のうち、視野絞り１６のスリット１６ａに対応する領域が、均一に照明される。つまり、ウエハ１１の表面には、スリット１６ａの像が投影される。
【００３０】
そして、照明光Ｌ１が照射されたウエハ１１からの反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９とハーフプリズム１８とを介して第２対物レンズ２０,２１に導かれ、第２対物レンズ２０,２１によって１次結像面１０ａに結像される。また、第２対物レンズ２０,２１からの光は、第１結像リレーレンズ２２と結像開口絞り２３とを介して第２結像リレーレンズ２４に導かれ、第２結像リレーレンズ２４によってＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上に再結像される。ＣＣＤ撮像素子２５は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサである。
【００３１】
なお、照明光学系(１３〜１８)および第１対物レンズ１９は、請求項の「照明手段」に対応する。また、結像光学系(１９〜２４)は、請求項の「結像光学系」に対応する。ＣＣＤ撮像素子２５は「撮像手段」に対応する。
ここで、重ね合わせ測定装置１０の視野中心にウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)が位置決めされると、この重ね合わせマーク３０が照明光Ｌ１によって照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、重ね合わせマーク３０の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、重ね合わせマーク３０の像を撮像して、この像の光強度(明るさ)に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００３２】
また、重ね合わせ測定装置１０の視野中心にウエハ１１上のライン＆スペースマーク３３(図３)が位置決めされると、このライン＆スペースマーク３３が照明光Ｌ１によって照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、ライン＆スペースマーク３３の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、ライン＆スペースマーク３３の像を撮像して、この像の光強度に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００３３】
画像処理装置２６は、重ね合わせマーク３０(図２)の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を各々算出する。エッジとは画像信号の強度が急激に変化する箇所である。画像処理装置２６は、請求項の「算出手段」に対応する。
【００３４】
さらに、画像処理装置２６は、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査する際、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせずれ量Ｒを算出する。重ね合わせずれ量Ｒは、ウエハ１１の表面の２次元ベクトルとして表される。
また、画像処理装置２６は、重ね合わせずれ量Ｒを算出する前に、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とに基づいて、重ね合わせ測定装置１０の結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を測定する（詳細は後述する）。画像処理装置２６は、請求項の「測定手段」に対応する。
【００３５】
一方、画像処理装置２６は、ライン＆スペースマーク３３(図３)の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)を微調整するための指標として、後述するＱ値のフォーカス特性（図７(ｂ)参照）を測定する。
【００３６】
構成説明の最後に、制御装置２７について説明する。制御装置２７は、請求項の「制御手段」に対応する。
制御装置２７は、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査する際、検査ステージ１２およびウエハ１１をＸＹ方向に移動制御して、ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)を重ね合わせ測定装置１０の視野中心に位置決めする。
【００３７】
また、制御装置２７は、重ね合わせ測定装置１０の結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を調整する際、上記と同様に重ね合わせマーク３０(図２)を視野中心に位置決めすると共に、検査ステージ１２およびウエハ１１をθ方向に回転制御して、画像処理装置２６に結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を測定させる。そして、画像処理装置２６によって測定された歪曲収差の分布状態に基づいて、第２対物レンズ２０,２１の支持部材２０ａを制御し、第１群２０のチルト状態を調整する。
【００３８】
さらに、制御装置２７は、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)を微調整する際、検査ステージ１２およびウエハ１１をＸＹ方向に移動制御して、ウエハ１１上のライン＆スペースマーク３３(図３)を重ね合わせ測定装置１０の視野中心に位置決めする。そして、検査ステージ１２およびウエハ１１をＺ方向に移動制御しながら、画像処理装置２６にＱ値（図７参照）を測定させ、必要に応じて第２対物レンズ２０,２１の支持部材２１ａを制御し、第２群２１のシフト状態を調整する。また、照明開口絞り１４や結像開口絞り２３のシフト状態も、必要に応じて調整する。
【００３９】
次に、上記のように構成された重ね合わせ測定装置１０における結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整と、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整とについて、順に説明する。
【００４０】
一般に、結像光学系(１９〜２４)には歪曲収差がある。そして、この歪曲収差が原因となって、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上に形成された像は歪んでしまう。歪曲収差による像の位置ずれ量Δは、次式(1)で表されるように、像高ｙの３乗に比例して増大する。ｙ0は像高ｙの任意の地点、Ｄ0はｙ＝ｙ0における歪曲収差を示す。
【００４１】
Δ＝(Ｄ0/ｙ0 2)×ｙ3 …(1)
また、一般に、結像光学系(１９〜２４)の配置には、組み立てる際の製造誤差（偏心誤差）が含まれている。したがって、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差は、視野中心に対して非対称に分布することになる。このとき、歪曲収差による像の位置ずれ量Δも、図４(ａ)の曲線ｂに示すように、視野中心に対して非対称に分布する。
【００４２】
このように、像の位置ずれ量Δが視野中心に対して非対称に分布していると、例えば重ね合わせマーク３０(図２)を視野中心に位置決めした場合、図４(ｂ)に示すように、矩形状マーク（下地マーク３１またはレジストマーク３２）の画像の左側エッジ３４と右側エッジ３５とで位置ずれ量（図中矢印の大きさで示す）に差が生じてしまう。
【００４３】
そして、この位置ずれ量の差がそのまま矩形状マークの中心位置Ｃ（図２に示す下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２）の算出結果に反映され、結果として、上記した重ね合わせずれ量Ｒが不正確になってしまう。
これに対して、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を視野中心に対して対称に分布させることができれば、この歪曲収差による像の位置ずれ量Δも、図４(ａ)の曲線ａに示すように、視野中心に対して対称に分布することになる。
【００４４】
そして、例えば重ね合わせマーク３０(図２)を視野中心に位置決めした場合、図４(ｃ)に示すように、矩形状マーク（下地マーク３１またはレジストマーク３２）の画像の左側エッジ３４と右側エッジ３５とで位置ずれ量（図中矢印の大きさで示す）が等しくなる。
このため、左側エッジ３４の位置ずれ量と右側エッジ３５の位置ずれ量とは、矩形状マークの中心位置Ｃ（図２に示す下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２）を算出する際に相殺され、結果として、上記した重ね合わせずれ量Ｒを正確に求めることができる。
【００４５】
本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を調整して、この歪曲収差を視野中心に対して対称に分布させ、結果として、歪曲収差による像の位置ずれ量Δを視野中心に対して対称に分布させる(図４(ａ)の曲線ｂ→曲線ａ)ために、第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をＸ軸およびＹ軸のまわりにチルト可能とした。第１群２０をチルト調整することで、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を変えることができるからである。
【００４６】
また、本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して非対称に分布しているか、対称に分布しているかを判断する指標として、後述するＴＩＳ（Tool Induced Shift）値を用いる。ＴＩＳ値は、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して対称に分布しているときに０となり、非対称に分布しているときに任意の値(≠０)をもつ。また、歪曲収差の分布状態の非対称性が大きくなるほど、ＴＩＳ値も大きくなる。
【００４７】
ここで、ＴＩＳ値の測定方法について簡単に説明しておく。ＴＩＳ値の測定時、重ね合わせ測定装置１０の視野中心には、ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)が位置決めされる。そして、制御装置２７は、ウエハ１１を光軸Ｏ２のまわりに１８０度回転させる前後の状態（図５(ａ),(ｂ)）で、画像処理装置２６に、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを各々算出させる。
【００４８】
画像処理装置２６では、図５(ａ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２に基づいて中心位置Ｃ１を起点として０度方向の重ね合わせずれ量Ｒ0を算出し、同様に、図５(ｂ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２に基づいて中心位置Ｃ１を起点として１８０度方向の重ね合わせずれ量Ｒ180を算出する。そして、次式(2)にしたがってＴＩＳ値を測定する。
【００４９】
ＴＩＳ値＝(Ｒ0＋Ｒ180)/２ …(2)
ＴＩＳ値を指標として結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を判断し、この判断結果に基づいて第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をチルト調整する。最終的に、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を視野中心に対称な分布状態とするための手順は、概略、図６のステップＳ１〜Ｓ３に示す通りである。
【００５０】
なお、図６のステップＳ１〜Ｓ３の処理は、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整処理であり、次のステップＳ４の処理は、後で説明する照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整処理である。
図６のステップＳ１において、制御装置２７は、画像処理装置２６によって測定されたＴＩＳ値を取り込み、次のステップＳ２において、予め定めた閾値と比較する。閾値は、十分に小さい値を示している。
【００５１】
そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より大きい場合には（Ｓ２がＮ）、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して非対称に分布しているため、次のステップＳ３において、第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をチルト調整し、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を少し変更する。さらに、第１群２０のチルト調整後、再度、ステップＳ１,Ｓ２の処理を行う。
【００５２】
このようにして、制御装置２７は、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなるまで、ステップＳ１〜Ｓ３の処理を繰り返す。そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなる（Ｓ２がＹ）と、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して対称に分布しているため、次のステップＳ４に進む。
【００５３】
ちなみに、このとき、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差による像の位置ずれ量Δも、視野中心に対して対称に分布する（図４(ａ)の曲線ａ）。このため、図４(ｃ)に示すように視野中心に位置決めされた矩形状マークの中心位置Ｃ（図２に示す中心位置Ｃ１,Ｃ２）を算出する際、左側エッジ３４と右側エッジ３５との位置ずれ量Δが相殺され、結果として、上記した重ね合わせずれ量Ｒを正確に求めることができる。
【００５４】
ただし、第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をチルト調整すると、結像光学系(１９〜２４)に若干の偏心コマ収差が発生することがある。本実施形態では、この場合の偏心コマ収差を補正し、上記した重ね合わせずれ量Ｒをより正確に求めるため、第２対物レンズの第２群２１をシフト可能とした。
また、本実施形態では、上記した重ね合わせずれ量Ｒをさらに正確に求めるため、結像光学系(１９〜２４)の偏心コマ収差の補正に加えて、結像光学系(１９〜２４)における反射光Ｌ２のけられや、照明光Ｌ１の主光線の傾斜（照明テレセン）をも補正することとした。反射光Ｌ２のけられ,照明光Ｌ１の傾斜の補正は、各々、結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整によって行われる。
【００５５】
なお、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整の方法としては、特開２０００−７７２９５号公報に開示されている方法（「ＱＺ法」という）を利用することができる。
このように、本実施形態では、上記した重ね合わせずれ量Ｒをさらに正確に求めるため、図６のステップＳ４において、ＱＺ法を利用し、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整を行う。
【００５６】
このとき、重ね合わせ測定装置１０の視野中心には、ウエハ１１上のライン＆スペースマーク３３(図３)が位置決めされ、結果として、画像処理装置２６には、図７(ａ)に示すように、ライン＆スペースマーク３３の像の光強度に応じた画像信号が入力される。
【００５７】
そして、画像処理装置２６では、ライン＆スペースマーク３３の像に関わる画像信号（図７(ａ)）を入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、左側エッジ３６と右側エッジ３７との信号強度差ΔＩを算出する。さらに、得られた信号強度差ΔＩを任意の信号強度Ｉで規格化して、次式(3)に示されるＱ値を算出する。Ｑ値は、左側エッジ３６と右側エッジ３７との非対称性を表している。
【００５８】
Ｑ値＝ΔＩ／Ｉ×１００(％) …(3)
このようなＱ値の算出は、制御装置２７がウエハ１１をＺ方向に移動させる毎に行われる。その結果、図７(ｂ)に示すようなＱ値のフォーカス特性曲線を得ることができる。
制御装置２７は、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図７(ｂ)）を指標として、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整を行う（ＱＺ法）。
【００５９】
ここで、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図７(ｂ)）のうち、図７(ｃ)に示す平行シフト成分αは、照明開口絞り１４のシフト調整によって変動する成分である。また、図７(ｄ)に示す凹凸成分βは、結像開口絞り２３のシフト調整によって変動する成分である。さらに、図７(ｅ)に示す傾斜成分γは、第２対物レンズの第２群２１のシフト調整によって変動する成分である。
【００６０】
したがって、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４を必要に応じてシフト調整することにより、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図７(ｂ)）を予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）に収束させることができる。
このようにしてＱＺ法による照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整処理が終了すると、制御装置２７は、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査するため、再度、重ね合わせ測定装置１０の視野中心に、ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)を位置決めする。そして、画像処理装置２６は、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
【００６１】
本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差による像の位置ずれ量Δを視野中心に対して対称に分布させたため（図４(ａ)の曲線ａ）、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを正確に算出することができる。その結果、重ね合わせずれ量Ｒも正確に算出できる。
さらに、本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の偏心コマ収差や反射光Ｌ２のけられ、照明光Ｌ１の主光線の傾斜（照明テレセン）も補正したため、上記した中心位置Ｃ１,Ｃ２および重ね合わせずれ量Ｒの算出をさらに正確に行うことができる。
【００６２】
したがって、重ね合わせ測定装置１０によれば、結像光学系(１９〜２４)に歪曲収差があっても、ウエハ１１の重ね合わせ状態を高精度に検査することができ、製品の歩留まりをさらに向上させることもできる。
なお、上記した実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布を調整するために、第２対物レンズの第１群２０をチルト調整したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、第２対物レンズの第２群１５をチルト調整しても良い。また、第１対物レンズ１９や第１結像リレーレンズ２２、第２結像リレーレンズ２４をチルト調整しても良い。
【００６３】
また、上記した実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の偏心コマ収差を補正するために、第２対物レンズの第２群２１をシフト調整したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、第２対物レンズの第１群２０をシフト調整してもよい。第１対物レンズ１９や第１結像リレーレンズ２２、第２結像リレーレンズ２４をシフト調整してもよい。
【００６４】
ただし、第２対物レンズの第１群２０などのように所定のパワーを持つレンズをシフト調整すると、偏心コマ収差以外の収差（色収差など）が新たに発生することも考えられるので、第２対物レンズの第２群２１のようなアフォーカル系をシフト調整する方が好ましい。
【００６５】
また、共通のレンズをチルト調整させかつシフト調整させる構成は、駆動系などが複雑かつ大型化するため、チルト調整用レンズとシフト調整用レンズとは別々に構成することが好ましい。
さらに、上記した実施形態では、制御装置２７によって、自動的に、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の調整を行い、その後、重ね合わせマーク３０の下地マーク３１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２および重ね合わせずれ量Ｒを検出したが、本発明は、手動で調整や位置検出などを行う装置にも適用することができる。この場合、重ね合わせ測定装置１０の制御装置２７は省略される。
【００６６】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスクに形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程の前に、マスクとウエハ１１とのアライメントを行う装置（露光装置のアライメント系）にも適用できる。この場合には、ウエハ１１上に形成されたアライメントマークの位置を精度良く検出することができる。また、単一のマークとカメラの基準位置との光学的位置ずれを検出する装置にも、本発明は適用できる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マークの像を形成する結像光学系に歪曲収差があっても、マークの位置を正確に検出できるため、半導体製造工程における重ね合わせ検査やアライメントを高精度に行うことができ、製品の歩留まりが確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図３】ウエハ１１に形成されたライン＆スペースマーク３３の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図４】結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差による像の位置ずれ量を示す模式図である。
【図５】ＴＩＳ値の測定方法を説明する図である。
【図６】重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせ状態の検査前に行われる光学系の調整手順を示すフローチャートである。
【図７】ＱＺ法による光学系の微調整方法を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 重ね合わせ測定装置
１１ ウエハ
１２ 検査ステージ
１３ 光源
１４ 照明開口絞り
１５ コンデンサーレンズ
１６ 視野絞り
１７ 照明リレーレンズ
１８ ハーフプリズム
１９ 第１対物レンズ
２０,２１ 第２対物レンズ
２２ 第１結像リレーレンズ
２３ 結像開口絞り
２４ 第２結像リレーレンズ
２５ ＣＣＤ撮像素子
２６ 画像処理装置
２７ 制御装置
３０ 重ね合わせマーク
３３ ライン＆スペースマーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の被検マークの位置を検出するマーク位置検出装置に関し、特に、半導体素子などの製造工程における高精度な位置検出に好適なマーク位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち露光工程の前に、マスクと基板とのアライメントを行い、さらに、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。
【０００５】
ちなみに、マスクと基板とのアライメント（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントであり、各々の回路パターンの基準位置を示すマークを用いて行われる。
また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査であり、下地パターンおよびレジストパターンの各々の基準位置を示すマークを用いて行われる。
【０００６】
そして、上記したアライメントや重ね合わせ検査のためのマークの位置検出は、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いてマークの像を撮像し、得られた画像信号に対して画像処理を施すことにより行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のマーク位置検出装置では、撮像素子の撮像面上にマークの像を形成する結像光学系は歪曲収差（ディストーション）を持っており、マークの位置を正確に検出できない要因となっているが、この歪曲収差を完全に取り除くことは困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、マークの像を形成する結像光学系に歪曲収差が残存していても、マークの位置を正確に検出できるマーク位置検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマーク位置検出装置は、基板上の被検マークを照明する照明手段と、複数のレンズを備え、前記被検マークからの光を結像して、前記被検マークの像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の一部のレンズを前記結像光学系の光軸に垂直な軸を中心としてチルト可能に支持するとともに、前記結像光学系の歪曲収差を調整する光学素子支持手段と、前記結像光学系によって形成された前記被検マークの像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記被検マークの位置を算出する算出手段と、前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記結像光学系の歪曲収差の分布状態を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果に基づいて前記光学素子支持手段を制御し、前記一部のレンズのチルト状態を調整する制御手段と、前記光軸を中心として前記基板を回転可能に支持する基板支持手段とを備え、前記測定手段は、前記基板支持手段を制御して前記基板の回転状態を調整し、前記基板を１８０度回転させる前後の状態で前記撮像手段から前記画像信号を各々入力して、前記歪曲収差の分布状態を測定するものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載したマーク位置検出装置において、前記制御手段は、当該装置の視野の中心に対して前記歪曲収差の分布状態が対称となるように、前記一部のレンズのチルト状態を調整するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載したマーク位置検出装置において、前記光学素子支持手段は、前記結像光学系の他の一部のレンズを前記光軸に垂直な軸に沿ってシフト可能に支持し、前記制御手段は、前記一部のレンズのチルト状態を調整後、前記他の一部のレンズをシフトさせて、前記結像光学系のコマ収差を補正するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項３に対応する。
ここでは、本実施形態のマーク位置検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１４】
重ね合わせ測定装置１０は、図１(ａ)に示すように、被検物体であるウエハ１１（基板）を支持する検査ステージ１２と、検査ステージ１２上のウエハ１１に対する照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１８)と、照明光Ｌ１によって照明されたウエハ１１の像を形成する結像光学系(１９〜２４)と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理装置２６と、制御装置２７とで構成されている。
【００１５】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、被検物体であるウエハ１１の説明を行う。
ウエハ１１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００１６】
そして、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１には、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２(ａ)は重ね合わせマーク３０の平面図、図２(ｂ)は断面図である。
重ね合わせマーク３０は、図２(ａ),(ｂ)に示すように、大きさが異なる矩形状の下地マーク３１とレジストマーク３２とからなる。下地マーク３１は、下地パターンと同時に形成され、下地パターンの基準位置を示す。レジストマーク３２は、レジストパターンと同時に形成され、レジストパターンの基準位置を示す。下地マーク３１,レジストマーク３２は、各々、請求項の「被検マーク」に対応する。
【００１７】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２およびレジストパターンと、下地マーク３１および下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査後、レジストマーク３２が下地マーク３１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対して正確に重ね合わされている場合に、レジストパターンを介して実際に加工される。
【００１８】
なお、上記の重ね合わせマーク３０は、重ね合わせ測定装置１０を構成する結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整にも用いられる。詳細は後述するが、重ね合わせマーク３０を用いた結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査前に行われる。
さらに、ウエハ１１には、ライン＆スペースマーク３３が形成されている。ライン＆スペースマーク３３は、図３(ａ),(ｂ)に示すように、線幅が３μｍ、ピッチが６μｍ、段差が８５ｎｍ(測定波長λの１/８程度)である。図３(ａ)はライン＆スペースマーク３３の平面図、図３(ｂ)は断面図である。
【００１９】
このライン＆スペースマーク３３は、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整に用いられる。詳細は後述するが、ライン＆スペースマーク３３を用いた微調整は、上記の重ね合わせマーク３０を用いた結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整後であって、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査前の段階で、必要に応じて行われる。
【００２０】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
重ね合わせ測定装置１０の検査ステージ１２は、ウエハ１１を水平状態に保ちながら支持すると共に、ウエハ１１を水平方向(ＸＹ方向),鉛直方向(Ｚ方向),回転方向(θ方向)に移動させる。検査ステージ１２およびウエハ１１の回転は、結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２を中心として行われる。光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。検査ステージ１２は、請求項の「基板支持手段」に対応する。
【００２１】
照明光学系(１３〜１８)は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３と照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５と視野絞り１６と照明リレーレンズ１７とハーフプリズム１８とで構成されている。ハーフプリズム１８は、反射透過面１８ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１８)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２２】
また、照明光学系(１３〜１８)の光源１３は、白色光を射出する。照明開口絞り１４は、光源１３から射出された光の径を特定の径に制限する。この照明開口絞り１４は、光軸Ｏ１に対してシフト可能に支持されている。照明開口絞り１４のシフト状態の調整は、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われ、結果として、照明光学系(１３〜１８)が微調整される。
【００２３】
コンデンサーレンズ１５は、照明開口絞り１４からの光を集光する。視野絞り１６は、重ね合わせ測定装置１０の視野を制限する光学素子であり、図１(ｂ)に示すように、矩形状の開口である１つのスリット１６ａを有する。照明リレーレンズ１７は、視野絞り１６のスリット１６ａからの光をコリメートする。ハーフプリズム１８は、照明リレーレンズ１７からの光を反射して結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２上に導く（照明光Ｌ１）。
【００２４】
結像光学系(１９〜２４)は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０,２１と第１結像リレーレンズ２２と結像開口絞り２３と第２結像リレーレンズ２４とで構成されている。第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０,２１との間には、上記したハーフプリズム１８が配置されている。
第１対物レンズ１９は、ハーフプリズム１８からの照明光Ｌ１をウエハ１１上に集光すると共に、ウエハ１１から発生した光（反射光Ｌ２）をコリメートする。上記のハーフプリズム１８は、第１対物レンズ１９からの光を透過する。第２対物レンズ２０,２１は、ハーフプリズム１８からの光を１次結像面１０ａ上に結像する。
【００２５】
また、第２対物レンズ２０,２１は、第１群２０と第２群２１との２群構成である。第１群２０を支持する支持部材２０ａと第２群２１を支持する支持部材２１ａは、請求項の「光学素子支持手段」に対応する。
第２対物レンズの第１群２０は、所定のパワーを持つレンズ系であり、光軸Ｏ２に垂直なＸ軸およびＹ軸を中心としてチルト可能に支持されている。チルト可能とは、第１群２０自体の光軸を結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２に対して傾斜可能なことを意味する。
【００２６】
第２対物レンズの第２群２１は、パワーを持たないアフォーカル系であり、光軸Ｏ２に垂直な軸に沿ってＸＹ面内でシフト可能に支持されている。シフト可能とは、第２群２１自体の光軸を結像光学系(１９〜２４)の光軸Ｏ２に対して傾斜させることなく平行移動可能なことを意味する。
第１群２０のチルト状態の調整は、上記の重ね合わせマーク３０（図２）を用いて行われ、結果として、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が調整される。また、第２群２１のシフト状態の調整は、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われ、結果として、結像光学系(１９〜２４)が微調整される。第１群２０は、請求項の「結像光学系の一部の光学素子」に対応する。第２群２１は「結像光学系の他の一部の光学素子」に対応する。
【００２７】
第１結像リレーレンズ２２は、第２対物レンズ２０,２１からの光をコリメートする。結像開口絞り２３は、第１結像リレーレンズ２２からの光の径を特定の径に制限する。この結像開口絞り２３は、光軸Ｏ２に対してシフト可能に支持されている。結像開口絞り２３のシフト状態の調整は、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われ、結果として、結像光学系(１９〜２４)が微調整される。第２結像リレーレンズ２４は、結像開口絞り２３からの光をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面（２次結像面）上に再結像する。
【００２８】
このように構成された照明光学系(１３〜１８)と結像光学系(１９〜２４)において、光源１３から射出された光は、照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５とを介して、視野絞り１６を均一に照明する。そして、視野絞り１６のスリット１６ａを通過した光は、照明リレーレンズ１７とハーフプリズム１８とを介して第１対物レンズ１９に導かれ、第１対物レンズ１９を透過して光軸Ｏ２に略平行な照明光Ｌ１となる。照明光Ｌ１は、検査ステージ１２上のウエハ１１を略垂直に照明する。
【００２９】
ウエハ１１に入射する照明光Ｌ１の入射角度範囲は、第１対物レンズ１９の瞳に共役な面に配置された照明開口絞り１４の絞り径によって決まる。また、視野絞り１６とウエハ１１とは共役な位置関係にあるため、ウエハ１１の表面のうち、視野絞り１６のスリット１６ａに対応する領域が、均一に照明される。つまり、ウエハ１１の表面には、スリット１６ａの像が投影される。
【００３０】
そして、照明光Ｌ１が照射されたウエハ１１からの反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９とハーフプリズム１８とを介して第２対物レンズ２０,２１に導かれ、第２対物レンズ２０,２１によって１次結像面１０ａに結像される。また、第２対物レンズ２０,２１からの光は、第１結像リレーレンズ２２と結像開口絞り２３とを介して第２結像リレーレンズ２４に導かれ、第２結像リレーレンズ２４によってＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上に再結像される。ＣＣＤ撮像素子２５は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサである。
【００３１】
なお、照明光学系(１３〜１８)および第１対物レンズ１９は、請求項の「照明手段」に対応する。また、結像光学系(１９〜２４)は、請求項の「結像光学系」に対応する。ＣＣＤ撮像素子２５は「撮像手段」に対応する。
ここで、重ね合わせ測定装置１０の視野中心にウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)が位置決めされると、この重ね合わせマーク３０が照明光Ｌ１によって照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、重ね合わせマーク３０の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、重ね合わせマーク３０の像を撮像して、この像の光強度(明るさ)に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００３２】
また、重ね合わせ測定装置１０の視野中心にウエハ１１上のライン＆スペースマーク３３(図３)が位置決めされると、このライン＆スペースマーク３３が照明光Ｌ１によって照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、ライン＆スペースマーク３３の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、ライン＆スペースマーク３３の像を撮像して、この像の光強度に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００３３】
画像処理装置２６は、重ね合わせマーク３０(図２)の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を各々算出する。エッジとは画像信号の強度が急激に変化する箇所である。画像処理装置２６は、請求項の「算出手段」に対応する。
【００３４】
さらに、画像処理装置２６は、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査する際、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせずれ量Ｒを算出する。重ね合わせずれ量Ｒは、ウエハ１１の表面の２次元ベクトルとして表される。
また、画像処理装置２６は、重ね合わせずれ量Ｒを算出する前に、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とに基づいて、重ね合わせ測定装置１０の結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を測定する（詳細は後述する）。画像処理装置２６は、請求項の「測定手段」に対応する。
【００３５】
一方、画像処理装置２６は、ライン＆スペースマーク３３(図３)の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)を微調整するための指標として、後述するＱ値のフォーカス特性（図７(ｂ)参照）を測定する。
【００３６】
構成説明の最後に、制御装置２７について説明する。制御装置２７は、請求項の「制御手段」に対応する。
制御装置２７は、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査する際、検査ステージ１２およびウエハ１１をＸＹ方向に移動制御して、ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)を重ね合わせ測定装置１０の視野中心に位置決めする。
【００３７】
また、制御装置２７は、重ね合わせ測定装置１０の結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を調整する際、上記と同様に重ね合わせマーク３０(図２)を視野中心に位置決めすると共に、検査ステージ１２およびウエハ１１をθ方向に回転制御して、画像処理装置２６に結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を測定させる。そして、画像処理装置２６によって測定された歪曲収差の分布状態に基づいて、第２対物レンズ２０,２１の支持部材２０ａを制御し、第１群２０のチルト状態を調整する。
【００３８】
さらに、制御装置２７は、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)を微調整する際、検査ステージ１２およびウエハ１１をＸＹ方向に移動制御して、ウエハ１１上のライン＆スペースマーク３３(図３)を重ね合わせ測定装置１０の視野中心に位置決めする。そして、検査ステージ１２およびウエハ１１をＺ方向に移動制御しながら、画像処理装置２６にＱ値（図７参照）を測定させ、必要に応じて第２対物レンズ２０,２１の支持部材２１ａを制御し、第２群２１のシフト状態を調整する。また、照明開口絞り１４や結像開口絞り２３のシフト状態も、必要に応じて調整する。
【００３９】
次に、上記のように構成された重ね合わせ測定装置１０における結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整と、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整とについて、順に説明する。
【００４０】
一般に、結像光学系(１９〜２４)には歪曲収差がある。そして、この歪曲収差が原因となって、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上に形成された像は歪んでしまう。歪曲収差による像の位置ずれ量Δは、次式(1)で表されるように、像高ｙの３乗に比例して増大する。ｙ0は像高ｙの任意の地点、Ｄ0はｙ＝ｙ0における歪曲収差を示す。
【００４１】
Δ＝(Ｄ0/ｙ0 2)×ｙ3 …(1)
また、一般に、結像光学系(１９〜２４)の配置には、組み立てる際の製造誤差（偏心誤差）が含まれている。したがって、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差は、視野中心に対して非対称に分布することになる。このとき、歪曲収差による像の位置ずれ量Δも、図４(ａ)の曲線ｂに示すように、視野中心に対して非対称に分布する。
【００４２】
このように、像の位置ずれ量Δが視野中心に対して非対称に分布していると、例えば重ね合わせマーク３０(図２)を視野中心に位置決めした場合、図４(ｂ)に示すように、矩形状マーク（下地マーク３１またはレジストマーク３２）の画像の左側エッジ３４と右側エッジ３５とで位置ずれ量（図中矢印の大きさで示す）に差が生じてしまう。
【００４３】
そして、この位置ずれ量の差がそのまま矩形状マークの中心位置Ｃ（図２に示す下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２）の算出結果に反映され、結果として、上記した重ね合わせずれ量Ｒが不正確になってしまう。
これに対して、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を視野中心に対して対称に分布させることができれば、この歪曲収差による像の位置ずれ量Δも、図４(ａ)の曲線ａに示すように、視野中心に対して対称に分布することになる。
【００４４】
そして、例えば重ね合わせマーク３０(図２)を視野中心に位置決めした場合、図４(ｃ)に示すように、矩形状マーク（下地マーク３１またはレジストマーク３２）の画像の左側エッジ３４と右側エッジ３５とで位置ずれ量（図中矢印の大きさで示す）が等しくなる。
このため、左側エッジ３４の位置ずれ量と右側エッジ３５の位置ずれ量とは、矩形状マークの中心位置Ｃ（図２に示す下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２）を算出する際に相殺され、結果として、上記した重ね合わせずれ量Ｒを正確に求めることができる。
【００４５】
本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を調整して、この歪曲収差を視野中心に対して対称に分布させ、結果として、歪曲収差による像の位置ずれ量Δを視野中心に対して対称に分布させる(図４(ａ)の曲線ｂ→曲線ａ)ために、第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をＸ軸およびＹ軸のまわりにチルト可能とした。第１群２０をチルト調整することで、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を変えることができるからである。
【００４６】
また、本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して非対称に分布しているか、対称に分布しているかを判断する指標として、後述するＴＩＳ（Tool Induced Shift）値を用いる。ＴＩＳ値は、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して対称に分布しているときに０となり、非対称に分布しているときに任意の値(≠０)をもつ。また、歪曲収差の分布状態の非対称性が大きくなるほど、ＴＩＳ値も大きくなる。
【００４７】
ここで、ＴＩＳ値の測定方法について簡単に説明しておく。ＴＩＳ値の測定時、重ね合わせ測定装置１０の視野中心には、ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)が位置決めされる。そして、制御装置２７は、ウエハ１１を光軸Ｏ２のまわりに１８０度回転させる前後の状態（図５(ａ),(ｂ)）で、画像処理装置２６に、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを各々算出させる。
【００４８】
画像処理装置２６では、図５(ａ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２に基づいて中心位置Ｃ１を起点として０度方向の重ね合わせずれ量Ｒ0を算出し、同様に、図５(ｂ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２に基づいて中心位置Ｃ１を起点として１８０度方向の重ね合わせずれ量Ｒ180を算出する。そして、次式(2)にしたがってＴＩＳ値を測定する。
【００４９】
ＴＩＳ値＝(Ｒ0＋Ｒ180)/２ …(2)
ＴＩＳ値を指標として結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を判断し、この判断結果に基づいて第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をチルト調整する。最終的に、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差を視野中心に対称な分布状態とするための手順は、概略、図６のステップＳ１〜Ｓ３に示す通りである。
【００５０】
なお、図６のステップＳ１〜Ｓ３の処理は、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の調整処理であり、次のステップＳ４の処理は、後で説明する照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整処理である。
図６のステップＳ１において、制御装置２７は、画像処理装置２６によって測定されたＴＩＳ値を取り込み、次のステップＳ２において、予め定めた閾値と比較する。閾値は、十分に小さい値を示している。
【００５１】
そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より大きい場合には（Ｓ２がＮ）、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して非対称に分布しているため、次のステップＳ３において、第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をチルト調整し、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布状態を少し変更する。さらに、第１群２０のチルト調整後、再度、ステップＳ１,Ｓ２の処理を行う。
【００５２】
このようにして、制御装置２７は、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなるまで、ステップＳ１〜Ｓ３の処理を繰り返す。そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなる（Ｓ２がＹ）と、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差が視野中心に対して対称に分布しているため、次のステップＳ４に進む。
【００５３】
ちなみに、このとき、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差による像の位置ずれ量Δも、視野中心に対して対称に分布する（図４(ａ)の曲線ａ）。このため、図４(ｃ)に示すように視野中心に位置決めされた矩形状マークの中心位置Ｃ（図２に示す中心位置Ｃ１,Ｃ２）を算出する際、左側エッジ３４と右側エッジ３５との位置ずれ量Δが相殺され、結果として、上記した重ね合わせずれ量Ｒを正確に求めることができる。
【００５４】
ただし、第２対物レンズ２０,２１の第１群２０をチルト調整すると、結像光学系(１９〜２４)に若干の偏心コマ収差が発生することがある。本実施形態では、この場合の偏心コマ収差を補正し、上記した重ね合わせずれ量Ｒをより正確に求めるため、第２対物レンズの第２群２１をシフト可能とした。
また、本実施形態では、上記した重ね合わせずれ量Ｒをさらに正確に求めるため、結像光学系(１９〜２４)の偏心コマ収差の補正に加えて、結像光学系(１９〜２４)における反射光Ｌ２のけられや、照明光Ｌ１の主光線の傾斜（照明テレセン）をも補正することとした。反射光Ｌ２のけられ,照明光Ｌ１の傾斜の補正は、各々、結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整によって行われる。
【００５５】
なお、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整の方法としては、特開２０００−７７２９５号公報に開示されている方法（「ＱＺ法」という）を利用することができる。
このように、本実施形態では、上記した重ね合わせずれ量Ｒをさらに正確に求めるため、図６のステップＳ４において、ＱＺ法を利用し、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整を行う。
【００５６】
このとき、重ね合わせ測定装置１０の視野中心には、ウエハ１１上のライン＆スペースマーク３３(図３)が位置決めされ、結果として、画像処理装置２６には、図７(ａ)に示すように、ライン＆スペースマーク３３の像の光強度に応じた画像信号が入力される。
【００５７】
そして、画像処理装置２６では、ライン＆スペースマーク３３の像に関わる画像信号（図７(ａ)）を入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、左側エッジ３６と右側エッジ３７との信号強度差ΔＩを算出する。さらに、得られた信号強度差ΔＩを任意の信号強度Ｉで規格化して、次式(3)に示されるＱ値を算出する。Ｑ値は、左側エッジ３６と右側エッジ３７との非対称性を表している。
【００５８】
Ｑ値＝ΔＩ／Ｉ×１００(％) …(3)
このようなＱ値の算出は、制御装置２７がウエハ１１をＺ方向に移動させる毎に行われる。その結果、図７(ｂ)に示すようなＱ値のフォーカス特性曲線を得ることができる。
制御装置２７は、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図７(ｂ)）を指標として、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４のシフト調整を行う（ＱＺ法）。
【００５９】
ここで、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図７(ｂ)）のうち、図７(ｃ)に示す平行シフト成分αは、照明開口絞り１４のシフト調整によって変動する成分である。また、図７(ｄ)に示す凹凸成分βは、結像開口絞り２３のシフト調整によって変動する成分である。さらに、図７(ｅ)に示す傾斜成分γは、第２対物レンズの第２群２１のシフト調整によって変動する成分である。
【００６０】
したがって、第２対物レンズの第２群２１,結像開口絞り２３,照明開口絞り１４を必要に応じてシフト調整することにより、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図７(ｂ)）を予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）に収束させることができる。
このようにしてＱＺ法による照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の微調整処理が終了すると、制御装置２７は、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査するため、再度、重ね合わせ測定装置１０の視野中心に、ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)を位置決めする。そして、画像処理装置２６は、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
【００６１】
本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差による像の位置ずれ量Δを視野中心に対して対称に分布させたため（図４(ａ)の曲線ａ）、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを正確に算出することができる。その結果、重ね合わせずれ量Ｒも正確に算出できる。
さらに、本実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の偏心コマ収差や反射光Ｌ２のけられ、照明光Ｌ１の主光線の傾斜（照明テレセン）も補正したため、上記した中心位置Ｃ１,Ｃ２および重ね合わせずれ量Ｒの算出をさらに正確に行うことができる。
【００６２】
したがって、重ね合わせ測定装置１０によれば、結像光学系(１９〜２４)に歪曲収差があっても、ウエハ１１の重ね合わせ状態を高精度に検査することができ、製品の歩留まりをさらに向上させることもできる。
なお、上記した実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差の分布を調整するために、第２対物レンズの第１群２０をチルト調整したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、第２対物レンズの第２群１５をチルト調整しても良い。また、第１対物レンズ１９や第１結像リレーレンズ２２、第２結像リレーレンズ２４をチルト調整しても良い。
【００６３】
また、上記した実施形態では、結像光学系(１９〜２４)の偏心コマ収差を補正するために、第２対物レンズの第２群２１をシフト調整したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、第２対物レンズの第１群２０をシフト調整してもよい。第１対物レンズ１９や第１結像リレーレンズ２２、第２結像リレーレンズ２４をシフト調整してもよい。
【００６４】
ただし、第２対物レンズの第１群２０などのように所定のパワーを持つレンズをシフト調整すると、偏心コマ収差以外の収差（色収差など）が新たに発生することも考えられるので、第２対物レンズの第２群２１のようなアフォーカル系をシフト調整する方が好ましい。
【００６５】
また、共通のレンズをチルト調整させかつシフト調整させる構成は、駆動系などが複雑かつ大型化するため、チルト調整用レンズとシフト調整用レンズとは別々に構成することが好ましい。
さらに、上記した実施形態では、制御装置２７によって、自動的に、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２４)の調整を行い、その後、重ね合わせマーク３０の下地マーク３１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２および重ね合わせずれ量Ｒを検出したが、本発明は、手動で調整や位置検出などを行う装置にも適用することができる。この場合、重ね合わせ測定装置１０の制御装置２７は省略される。
【００６６】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスクに形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程の前に、マスクとウエハ１１とのアライメントを行う装置（露光装置のアライメント系）にも適用できる。この場合には、ウエハ１１上に形成されたアライメントマークの位置を精度良く検出することができる。また、単一のマークとカメラの基準位置との光学的位置ずれを検出する装置にも、本発明は適用できる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マークの像を形成する結像光学系に歪曲収差があっても、マークの位置を正確に検出できるため、半導体製造工程における重ね合わせ検査やアライメントを高精度に行うことができ、製品の歩留まりが確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図３】ウエハ１１に形成されたライン＆スペースマーク３３の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図４】結像光学系(１９〜２４)の歪曲収差による像の位置ずれ量を示す模式図である。
【図５】ＴＩＳ値の測定方法を説明する図である。
【図６】重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせ状態の検査前に行われる光学系の調整手順を示すフローチャートである。
【図７】ＱＺ法による光学系の微調整方法を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 重ね合わせ測定装置
１１ ウエハ
１２ 検査ステージ
１３ 光源
１４ 照明開口絞り
１５ コンデンサーレンズ
１６ 視野絞り
１７ 照明リレーレンズ
１８ ハーフプリズム
１９ 第１対物レンズ
２０,２１ 第２対物レンズ
２２ 第１結像リレーレンズ
２３ 結像開口絞り
２４ 第２結像リレーレンズ
２５ ＣＣＤ撮像素子
２６ 画像処理装置
２７ 制御装置
３０ 重ね合わせマーク
３３ ライン＆スペースマーク
Claims (3)
- 基板上の被検マークを照明する照明手段と、
複数のレンズを備え、前記被検マークからの光を結像して、前記被検マークの像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系の一部のレンズを前記結像光学系の光軸に垂直な軸を中心としてチルト可能に支持するとともに、前記結像光学系の歪曲収差を調整する光学素子支持手段と、
前記結像光学系によって形成された前記被検マークの像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、
前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記被検マークの位置を算出する算出手段と、
前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記結像光学系の歪曲収差の分布状態を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づいて前記光学素子支持手段を制御し、前記一部のレンズのチルト状態を調整する制御手段と、
前記光軸を中心として前記基板を回転可能に支持する基板支持手段とを備え、
前記測定手段は、前記基板支持手段を制御して前記基板の回転状態を調整し、前記基板を１８０度回転させる前後の状態で前記撮像手段から前記画像信号を各々入力して、前記歪曲収差の分布状態を測定する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 請求項１に記載したマーク位置検出装置において、
前記制御手段は、当該装置の視野の中心に対して前記歪曲収差の分布状態が対称となるように、前記一部のレンズのチルト状態を調整する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 請求項１に記載のマーク位置検出装置において、
前記光学素子支持手段は、前記結像光学系の他の一部のレンズを前記光軸に垂直な軸に沿ってシフト可能に支持し、
前記制御手段は、前記一部のレンズのチルト状態を調整後、前記他の一部のレンズをシフトさせて、前記結像光学系のコマ収差を補正する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
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