JP4876360B2

JP4876360B2 - 光学的位置ずれ検出装置

Info

Publication number: JP4876360B2
Application number: JP2001282532A
Authority: JP
Inventors: 達雄福井; 洋青木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: JP2003092249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的位置ずれ検出装置に関し、例えば半導体素子や液晶表示素子の製造工程におけるパターンの重ね合わせずれ測定などに用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程のフォトリソグラフィ工程において形成されたレジストパターンと下地パターンとの重ね合わせずれ量を測定する必要があり、この重ね合わせずれ量の測定に際して位置ずれ検出装置（重ね合わせ測定装置）が用いられている。この種の位置ずれ検出装置では、被検マーク（重ね合わせマーク）に対して照明光を照射し、マークからの反射光に基づいて形成されたマーク像をＣＣＤカメラ等で撮像し、画像処理を経て重ね合わせずれ量を測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した位置ずれ検出装置では、測定光学系（照明光学系および結像光学系）において光軸に関して非回転対称な収差が存在し、且つその収差が測定視野領域内において非対称に分布している場合には、測定誤差（TIS: Tool Induced Shift）が発生する。その他にも、照明光束の主光線が傾斜している場合や、測定マークによる回折光の光束が非対称に遮られて（ケラれて）いる場合にもＴＩＳが発生する。
【０００４】
そこで、特開２０００−７７２９５号公報に開示されているように、測定光学系に設けられている３要素の調整機構（照明開口絞り、結像開口絞り、第２対物レンズ）によりほぼ理想的な状態に調整する必要がある。図４に示す従来の位置ずれ検出装置では、結像光学系にリレー系を追加し、このリレー系の光路中に偏芯調整が可能な結像開口絞りを配置していた。その結果、リレー系を含む結像光学系の全長が長くなり、ひいては測定光学系を含む装置が大型化するという不都合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、偏芯調整が可能な結像開口絞りを含む結像光学系の全長が短縮化された小型の光学的位置ずれ検出装置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】
前記課題を解決するために、本発明では、照明光学系を介して物体を照明し、結像光学系を介して形成された前記物体の像に基づいて前記物体の位置ずれを光学的に検出する光学的位置ずれ検出装置において、
前記結像光学系は、物体側に配置された第１対物レンズと、像側に配置された第２対物レンズとを備え、
前記第１対物レンズの瞳面またはその近傍には、前記第１対物レンズの光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能な結像開口絞りが設けられていることを特徴とする光学的位置ずれ検出装置を提供する。
【０００７】
本発明の好ましい態様によれば、前記結像開口絞りは、前記第１対物レンズの最も物体側のレンズと最も像側のレンズとの間の光路中に位置決めされている。この場合、前記結像開口絞りを支持する開口絞り板が、前記第１対物レンズの鏡筒に設けられた貫通孔を貫通するように位置決めされ、且つ前記光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能に構成されていることが好ましい。また、前記第２対物レンズは、その光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能に構成されていることが好ましい。さらに、前記照明光学系の瞳面またはその近傍には、前記照明光学系の光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能な照明開口絞りが設けられていることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態では、物体側に配置された第１対物レンズと像側に配置された第２対物レンズとで結像光学系を構成し、第１対物レンズの瞳面（またはその近傍）に、偏芯調整が可能な（光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能な）結像開口絞りを設けている。したがって、従来技術において付設されていたリレー系の分だけ、結像光学系の全長が短縮化される。その結果、偏芯調整が可能な結像開口絞りを含む結像光学系の全長が短縮化された小型の光学的位置ずれ検出装置を実現することができる。
【０００９】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる光学的位置ずれ検出装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、半導体ウェハ上の重ね合わせマーク（以下、単に「マーク」という）の重ね合わせずれ量を測定するための重ね合わせ測定装置に本発明を適用している。図１を参照すると、本実施形態の装置は、たとえばハロゲンランプのような光源１を備えている。
【００１０】
光源１から供給された広帯域波長（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）の照明光は、コンデンサーレンズ２で集光された後、視野絞り３を均一に照明する。視野絞り３には、図１に示すように、たとえば矩形状の開口部（光透過部）Ｓ１が形成されている。視野絞り３の開口部Ｓ１を通過した照明光は、照明リレーレンズ４によってコリメートされた後、ビームスプリッターとしてのハーフプリズム５に入射する。ハーフプリズム５で反射された照明光は、第１対物レンズ６を介して、ステージ２２上に載置されたウェハ２１の表面上に形成されたマーク２０を垂直照明する。
【００１１】
以上のように、コンデンサーレンズ２、視野絞り３、照明リレーレンズ４、ハーフプリズム５および第１対物レンズ６は、光源１からの照明光に基づいて被検物体としてのマーク２０を照明するための照明光学系を構成している。なお、視野絞り３はウェハ２１と光学的にほぼ共役に配置され、その開口部Ｓ１はマーク２０を照明する領域を規定している。また、光源１とコンデンサーレンズ２との間の光路中において照明光学系の瞳面には、その光軸と直交する面（ＸＺ平面）に沿って移動可能な（すなわち偏芯調整が可能な）照明開口絞り１０が設けられている。
【００１２】
照明されたマーク２０からの反射光（回折光を含む）は、第１対物レンズ６を介してコリメートされ、ハーフプリズム５を透過した後、第２対物レンズ７に入射する。ここで、第２対物レンズ７は、その光軸と直交する面（ＸＹ平面）に沿って移動可能（すなわち偏芯調整が可能）に構成されている。第２対物レンズ７を介して集光された光は、たとえばＣＣＤのような撮像素子８の撮像面にマーク２０の像を形成する。撮像素子８からの出力信号は画像処理部９に供給され、画像処理部９ではマーク２０の像の画像情報に基づいてマーク２０の重ね合わせずれ量を測定する。
【００１３】
以上のように、第１対物レンズ６、ハーフプリズム５および第２対物レンズ７は、照明されたマーク２０からの反射光に基づいてマーク２０の像を形成するための結像光学系を構成している。なお、第１対物レンズ６の瞳面には、その光軸とほぼ直交する面（ＸＹ平面）に沿って移動可能な（すなわち偏芯調整が可能な）結像開口絞り１１が設けられている。ここで、第１対物レンズ６を無限遠系として設計する場合、その最も物体側（ウェハ側）のレンズと最も像側（撮像素子側）のレンズとの間の光路中に結像開口絞り１１が位置決めされるのが通常である。
【００１４】
本実施形態では、第２対物レンズ７を偏芯調整することにより、結像光学系の非回転対称な収差を補正することができる。また、照明開口絞り１０を偏芯調整することにより、照明光束の主光線の傾斜（照明テレセントリシティの崩れ）を調整することができる。さらに、結像開口絞り１１を偏芯調整することにより、マーク２０からの回折光の光束が光軸に関して非対称に遮られないように調整することができる。すなわち、第２対物レンズ７、照明開口絞り１０および結像開口絞り１１の３要素の偏芯調整により、ＴＩＳを良好に抑えたほぼ理想的な状態に測定光学系を調整することができる。以下、第２対物レンズ７、照明開口絞り１０および結像開口絞り１１の３要素を用いた偏心調整について説明する。
【００１５】
図２は、第２対物レンズ、照明開口絞りおよび結像開口絞りを用いた偏芯調整に使用される調整用マークの構成を示す図である。本実施形態では、調整用マークとして、たとえば図２に示すようなＬ／Ｓ（ライン・アンド・スペース）マーク（線幅３μｍ、ピッチ６μｍ、段差８５ｎｍ（０．０８５μｍ）：測定波長λの１／８程度）を用いる。そして、調整用マークを観察して得られる画像信号強度プロファイルの左右エッジの非対称性に関する指標であるＱ値（Ｑ値＝ΔＩ／Ｉ₀×１００（％）と定義する）を測定し、調整用マークがＺ方向にデフォーカスしたときのＱ値の変動特性すなわちフォーカス特性を評価する。
【００１６】
図３は、調整用マークがＺ方向にデフォーカスしたときのＱ値の変動特性を説明する図である。ここで、図３（ａ）は、照明開口絞り１０の偏芯調整により得られるＱ値の変動特性を示している。また、図３（ｂ）は、結像開口絞り１１の偏芯調整により得られるＱ値の変動特性を示している。さらに、図３（ｃ）は、第２対物レンズ７の偏芯調整により得られるＱ値の変動特性を示している。一般に、未調整の装置では、各光学部材の製造誤差および組立誤差などに起因して、図３（ｄ）に示すようなＱ値の変動特性が得られる。
【００１７】
この場合、図３（ｄ）に示すＱ値の特性曲線において凸成分が大き過ぎると、第２対物レンズ７の偏芯調整量を的確に定めることができない。また、照明開口絞り１０は、結像開口絞り１１および第２対物レンズ７に比べて調整感度が鈍く、多少偏芯させてもその判断指標となる平行シフト成分αの変化量が少ないので、特性曲線における凸成分βおよび傾斜成分γをある程度除去した状態でなければ、照明開口絞り１０の偏芯調整量の判定を正確に行うことができない。そこで、本実施形態では、結像開口絞り１１、第２対物レンズ７、照明開口絞り１０の順序で偏芯調整を行う。
【００１８】
すなわち、本実施形態では、まず、調整感度の敏感な結像開口絞り１１を偏芯調整することにより、特性曲線の凸成分を取り除く。次いで、第２対物レンズ７を偏芯調整することにより、特性曲線の傾斜成分を取り除く。さらに、照明開口絞り１０を偏芯調整することにより、特性曲線の平行シフト成分を取り除く。こうして、１回目の調整操作によりＱ値の特性曲線が所定の規格範囲内に収まった場合、調整は終了する。一方、１回目の調整によりＱ値の特性曲線が所定の規格範囲内に収まらなかった場合、Ｑ値の特性曲線が所定の規格範囲内に収まるまで上述の調整手順を繰り返す。なお、上述の調整に関する更なる詳細については、特開２０００−７７２９５号公報などを参照することができる。
【００１９】
以上のように、本実施形態では、第１対物レンズ６と第２対物レンズ７とで結像光学系を構成し、第１対物レンズ６の瞳面に偏芯調整が可能な結像開口絞り１１を設けている。したがって、図４に示すように従来技術において付設されていたリレー系（第１結像リレーレンズ１２および第２結像リレーレンズ１３）の分だけ、結像光学系の全長が短縮化される。その結果、本実施形態では、偏芯調整が可能な結像開口絞り１１を含む結像光学系の全長が短縮化された小型の光学的位置ずれ検出装置を実現することができる。すなわち、測定誤差を良好に抑えたほぼ理想的な状態に測定光学系を調整することができ、且つ光学系全体を小型化することができる。また、結像光学系の光路中に配置される光学部材の総数が低減されるので、収差発生の要因が減り、測定精度を左右する総合的な収差が減るというメリットもある。
【００２０】
次に、図５乃至図７に基づいて、第１対物レンズ６に設けられた偏芯機構付き結像開口絞り１１の具体的な構成について説明する。図５は開口絞り板１１ａ（結像開口絞り１１を支持している）の偏芯機構装置の正面図であり、図６は図５の偏芯機構装置の底面図であり、図７は図５の偏芯機構装置の左側面図である。
【００２１】
図５において、第１対物レンズ６の鏡筒には、結像開口絞り１１を支持している開口絞り板１１ａを挿入可能なスリット状の貫通穴６ａ（鏡筒の周方向に沿って延びる細長いスリット穴）が光軸に関して対称的に一対形成されている。貫通穴６ａは、開口絞り板１１ａをＸＹ方向に偏芯調整できる程度の大きさを有している。なお、図５において、Ｘ方向とは紙面に対して水平な方向を言い、Ｙ方向とは紙面に対して垂直な方向を言う。開口絞り板１１ａは、第１対物レンズ６の一方の貫通穴６ａから挿入され、レンズ群６ｂと６ｃとの間を通り、その先端が他方の貫通穴６ａから突出した状態で、第１対物レンズ６に設けられる。開口絞り板１１ａには結像開口絞り１１が設けられ、結像開口絞り１１は第１対物レンズ６の光軸に対してＸ方向およびＹ方向に偏芯調整される。
【００２２】
まず、Ｙ軸方向の偏芯機構（Ｙ軸調整ツマミ４０、Ｙ軸移動テーブル４１、Ｙ軸ガイドレール４２、支持部材４３、付勢バネ４４、およびセットビス４５）について、その構成及び動作を説明する。開口絞り板１１ａは、その両端がそれぞれＹ軸用移動テーブル４１に固定され、Ｙ軸用移動テーブル４１がＹ軸用ガイドレール４２上をＹ軸方向に駆動可能に設けられている。図６において、開口絞り板１１ａは、その側面が一方のＹ軸移動テーブル４１に設けられた付勢バネ４４によってＹ軸調整ツマミ４０の先端部４０ａに押し当てられ、Ｙ軸上での位置を維持している。
【００２３】
Ｙ軸調整ツマミ４０は固定部材５０の張出部にネジ結合され押え環４３によって固定され、その先端部４０ａがミクロン単位でＹ軸方向に移動できるように構成されている。Ｙ軸調整ツマミ４０の先端部４０ａは、開口絞り板１１ａの側面１１ｂに当接しており、Ｙ軸調整ツマミ４０を回動させると、開口絞り板１１ａがＹ軸用移動テーブル４１とＹ軸用ガイドレール４２とを介して付勢バネ４４に抗してＹ軸方向に平行移動し、結像開口絞り１１のＹ軸方向の偏芯調整がなされる。結像開口絞り１１のＹ軸方向の偏芯調整がなされると、その位置を固定するために、セットビス４５を開口絞り板１１ａの側面に当接させる。
【００２４】
次に、Ｘ軸方向の偏芯機構（Ｘ軸調整ツマミ３０、Ｘ軸移動テーブル３１、Ｘ軸ガイドレール３２、支持部材３３、付勢バネ３４、およびセットビス３５）について、その構成及び動作を説明する。図５及び図７において、一対のＹ軸ガイドレール４２は、それぞれＸ軸用移動テーブル３１に固定されている。従って、Ｙ軸偏芯機構（Ｙ軸調整ツマミ４０、Ｙ軸移動テーブル４１、Ｙ軸ガイドレール４２、支持部材４３、付勢バネ４４、およびセットビス４５）と開口絞り板１１ａとは、Ｘ軸用移動テーブル３１によりＸ軸方向に一体駆動されることになる。
【００２５】
図５において、一対のＸ軸用移動テーブル３１は、それぞれＸ軸用ガイドレール３２上をＸ軸方向に駆動可能に設けられている。Ｘ軸用移動テーブル３１は、Ｘ軸ガイドレール３２と固定された関係にある部材に設けられた付勢バネ３４によってＸ軸調整ツマミ３０の先端部３０ａに押し当てられ、Ｘ軸上での位置を維持している。Ｘ軸調整ツマミ３０はＸ軸用ガイドレール３２の張出部にネジ結合され押え環３３により固定され、その先端部３０ａがミクロン単位でＸ軸方向に移動できるように構成されている。
【００２６】
一対のＸ軸用ガイドレール３２は、それぞれ固定部材５０を介して顕微鏡のレボルバー５２にネジなどで固着される。Ｘ軸調整ツマミ３０の先端部３０ａは、Ｘ軸用移動テーブル３１の側面３１ａに当接しており、Ｘ軸調整ツマミ３０を回動させると、開口絞り板１１ａがＸ軸用移動テーブル３１とＸ軸用ガイドレール３２とを介して付勢バネ３４に抗してＸ軸方向に平行移動し、結像開口絞り１１のＸ軸方向の偏芯調整がなされる。結像開口絞り１１のＸ軸方向の偏芯調整がなされると、その位置を固定するために、セットビス３５をＸ軸用移動テーブル３１の側面に当接させる。
【００２７】
最後に、図５を参照して、第１対物レンズ６をレボルバー５２に固定する機構について説明する。レボルバー５２には、第１対物レンズ６を取り付けるための取付け部材５１が保持部（不図示）に回転可能に埋め込まれている。この取付け部材５１は、フランジを備えた円環状筒の形状をしており、その筒部分には雌ネジ５１ａが切られ、第１対物レンズ６の雄ネジ（接合ネジ）６ｄと結合できるように構成されている。
【００２８】
本実施形態では、第１対物レンズ６が取付け部材５１にネジ結合された後に、開口絞り板１１ａが貫通穴６ａに挿入される。その後、開口絞り板１１ａをＹ軸偏芯機構のＹ軸用移動テーブル４１に固定するために、第１対物レンズ６の取付け部材５１が保持部内を所定角度回動（光軸を中心とした回転）できることを利用して、開口絞り板１１ａの回転方向位置を調整する。開口絞り板１１ａがＹ軸用移動テーブル４１に固定されると、保持部内での取付け部材５１の位置を固定するため、すなわち、第１対物レンズ６の回転方向の自由度を規制するために、不図示のセットビスにより固定する。
【００２９】
なお、上述の実施形態では、半導体ウェハ上の重ね合わせマークの重ね合わせずれ量を測定するための重ね合わせ測定装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、結像光学系を介して形成された物体像に基づいて物体の位置ずれを光学的に検出する光学的位置ずれ検出装置に本発明を適用することもできる。以上のように、本実施形態では、従来技術のリレー光学系が不要となり、その結果、測定性能を左右する測定光学系の生産コストを低減することができ、測定光学系の不良発生時の交換作業が容易となり、装置の総合的な生産効率が向上する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、物体側に配置された第１対物レンズと像側に配置された第２対物レンズとで結像光学系を構成し、第１対物レンズの瞳面に偏芯調整が可能な結像開口絞りを設けているので、従来技術において付設されていたリレー系の分だけ結像光学系の全長が短縮化される。こうして、本発明では、偏芯調整が可能な結像開口絞りを含む結像光学系の全長が短縮化された小型の光学的位置ずれ検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる光学的位置ずれ検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】第２対物レンズ、照明開口絞りおよび結像開口絞りを用いた偏芯調整に使用される調整用マークの構成を示す図である。
【図３】調整用マークがＺ方向にデフォーカスしたときのＱ値の変動特性を説明する図である。
【図４】本実施形態の比較例として従来の位置ずれ検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図５】第１対物レンズに設けられた偏芯機構付き結像開口絞りの具体的な構成について説明する図であって、開口絞り板（結像開口絞りを支持している）の偏芯機構装置の正面図である。
【図６】図５の偏芯機構装置の底面図である。
【図７】図５の偏芯機構装置の左側面図である。
【符号の説明】
１光源
２コンデンサーレンズ
３視野絞り
４照明リレーレンズ
５ハーフプリズム
６第１対物レンズ
７第２対物レンズ
８撮像素子
９画像処理部
１０照明開口絞り
１１結像開口絞り
２２ステージ
２１ウェハ
２０重ね合わせマーク

Claims

照明光学系を介して物体を照明し、結像光学系を介して形成された前記物体の像に基づいて前記物体の位置ずれを光学的に検出する光学的位置ずれ検出装置において、
前記結像光学系は、物体側に配置された第１対物レンズと、像側に配置された第２対物レンズとを備え、
前記第１対物レンズの瞳面またはその近傍には、前記第１対物レンズの光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能な結像開口絞りが設けられていることを特徴とする光学的位置ずれ検出装置。
前記結像開口絞りは、前記第１対物レンズの最も物体側のレンズと最も像側のレンズとの間の光路中に位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の光学的位置ずれ検出装置。
前記結像開口絞りを支持する開口絞り板が、前記第１対物レンズの鏡筒に設けられた貫通孔を貫通するように位置決めされ、且つ前記光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学的位置ずれ検出装置。
前記第２対物レンズは、その光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学的位置ずれ検出装置。
前記照明光学系の瞳面またはその近傍には、前記照明光学系の光軸とほぼ直交する面に沿って移動可能な照明開口絞りが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学的位置ずれ検出装置。