JP4911305B2 - 基板表裏面パターン位置測定方法及びその方法を用いた測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、フォトマスク基板の表裏面のマーク等の位置ずれを測定する基板表裏面パターン位置測定方法及びその方法を用いた測定装置に関する。

近年、半導体集積回路における高集積化および微細化に伴い、半導体基板（以下、単にウェハと称する）上に形成される回路パターンの微細化も急速に進んできている。このような半導体集積回路の高集積化・微細化技術においては、フォトリソグラフィ技術の寄与が大きい。このフォトリソグラフィ技術とは、ウェハ上に塗布されたフォトレジストにフォトマスク（原画）上のパターンを転写し、その転写されたフォトレジストを用いて下層の被エッチング膜をパターニングする技術である。

フォトリソグラフィ技術において用いられるフォトマスクには通常一方の面にのみ原画パターンが形成されるが、特殊なものにはフォトマスク表面および裏面の両方にパターンが形成さているものがある。このようなフォトマスクとしては、特許文献１（特開２００３−１５６８３２号公報）ものがある。特許文献１のものは、レンズの収差を計測できる収差計測用フォトマスクであり、収差計測を行うために、フォトマスク基板の表面には複数の計測用開口パターンが形成され、フォトマスク基板の裏面には複数の計測用開口パターンの各々への露光光の各入射角度を実質的に異ならせるための裏面開口パターンを有する遮光膜が形成された構成となっている。

特許文献１に記載されているような表面および裏面の両方にパターンが形成されるフォトマスク基板においては、表面のパターンと裏面のパターンの位置ずれを測定する、というニーズが発生する。ここで、図面を参照しつつ従来行われていたフォトマスク基板の表裏面の位置ずれを測定する方法について説明する。

図８は、従来のフォトマスクやウエハ等の平行平面基板の表裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定する方法の原理を説明するための図である。図８は、フォトマスク基板の測定の様子を側面からみたものであり、１はフォトマスク基板、２は上面側対物レンズ、３は下面側対物レンズ、１０は測定用ステージをそれぞれ示している。フォトマスク基板１の表面の点Ｐと、裏面の点Ｑの画像は、画像取得装置で取得し、モニター画面に表示されるが、これらの点Ｐ、点Ｑの位置ずれを測定する場合を例に説明する。

フォトマスク基板１は、測定用ステージ１０上に載置されて、フォトマスク基板１上面から上面側対物レンズ２によって、また、フォトマスク基板１下面から下面側対物レンズ３によって、観測されることによって、モニター上で位置が測定される。測定用ステージ１０は、フォトマスク基板１を載置したまま線Ｏ―Ｏ’を中心として回転可能に構成されている。また、図中、線Ｔ―Ｔ’は、上面側対物レンズ２の光軸、線Ｂ―Ｂ’は下面側対物レンズ３の光軸をそれぞれ示している。

図９は、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。図９（Ａ）は上面側対物レンズ２で点Ｐを測定している様子であり、図９（Ｂ）は下面側対物レンズ３で点Ｑを測定している様子である。ここで、図９におけるｘ軸、ｙ軸の原点は、測定用ステージ１０の回転軸である線Ｏ―Ｏ’が通過する点であり、図８において、ｘ軸方向は図面左から右への方向と定義するものとし、ｙ軸方向は紙面表面から裏面への方向と定義する。図９の状態において、任意の点を原点として測定された点Ｐの位置を（Ｘ_t0，Ｙ_t0）、点Ｑの位置を（Ｘ_b0，Ｙ_b0）とする。座標の添え字中、ｔはｔｏｐの略であり、ｂはｂｏｔｔｏｍの略であり、０は０°の略である。

測定用ステージ１０の回転軸である線Ｏ―Ｏ’や、上面側対物レンズ２の光軸である線Ｔ―Ｔ’や下面側対物レンズ３の光軸である線Ｂ―Ｂ’は厳密に精度あわせがしてあれば、図９の状態において測定された点Ｐや点Ｑの位置から、それぞれの点の位置のずれが測定できるが、実際には、これらの線の精度を合わせることは困難である。

そこで、次に、点Ｐおよび点Ｑのそれぞれを、測定用ステージ１０を１８０°回転した状態で測定する。図１０は、測定用ステージ１０を１８０°回転して、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。図１０（Ａ）は上面側対物レンズ２で点Ｐ₁₈₀を測定している様子であり、図１０（Ｂ）は下面側対物レンズ３で点Ｑ₁₈₀を測定している様子である。図１０においては、点Ｐ₁₈₀、点Ｑ₁₈₀それぞれはｘｙ座標の原点を中心に１８０°回転した状態となる。ここで、図１０の状態において測定された点Ｐ₁₈₀の位置を（Ｘ_t180，Ｙ_t180）、点Ｑ₁₈₀の位置を（Ｘ_b180，Ｙ_b180）とする。

上面側対物レンズ２による点Ｐの観測において、測定用ステージ１０を回転する前後のｘ軸方向の位置ずれをΔＸ_t、ｙ方向の位置ずれをΔＹ_t、回転軸を原点とした時の位置を（Ｘ_br，Ｙ_br）とすると、次の（１）、（２）式が成立する。
ΔＸ_t＝Ｘ_t0−Ｘ_t180＝２・Ｘ_tr （１）
ΔＹ_t＝Ｙ_t0−Ｙ_t180＝２・Ｙ_tr （２）
また、下面側対物レンズ３による点Ｑの観測において、測定用ステージ１０を回転する前後のｘ軸方向の位置ずれをΔＸ_b、ｙ方向の位置ずれをΔＹ_b、回転軸を原点とした時の位置を（Ｘ_br，Ｙ_br）とすると、次の（３）、（４）式が成立する。
ΔＸ_b＝Ｘ_b0−Ｘ_t180＝２・Ｘ_br （３）
ΔＹ_b＝Ｙ_b0−Ｙ_b180＝２・Ｙ_br （４）
この操作をする事により図１２に示すように、表裏同一の回転中心からの位置ずれ量に置き換える事ができる。

点Ｐと点Ｑの位置ずれは、もともと次の（５）、（６）式である。
ΔＸ＝Ｘ_br−Ｘ_tr （５）
ΔＹ＝Ｙ_br−Ｙ_tr （６）
本測定原理においては、（Ｘ_t0，Ｙ_t0）および（Ｘ_b0，Ｙ_b0）を厳密に測定する代わりに、（１）〜（４）の式を用いて、点Ｐと点Ｑの位置ずれ量を、ΔＸ_t、ΔＹ_t、ΔＸ_b、ΔＹ_bの測定結果お用いて次の（７）、（８）式のように計算する。
（点Ｐと点Ｑの位置ずれ量）
ΔＸ＝Ｘ_br−Ｘ_tr＝（ΔＸ_b−ΔＸ_t）／２ （７）
ΔＹ＝Ｙ_br−Ｙ_tr＝（ΔＹ_b−ΔＹ_t）／２ （８）
すなわち、本測定方法によれば、測定用ステージ１０を回転する前後のｘ軸方向の位置ずれ量、ｙ軸方向の位置ずれ量を用いることにより、光軸等の位置あわせ、精度あわせを不要として、フォトマスク基板１の両面の各ポイント間の位置ずれ量を測定することが可能となる。
特開２００３−１５６８３２号公報

ところで、上記のような従来のフォトマスク基板の表裏面の位置ずれを測定する方法によれば、次の図１１に示されるような場合に問題が発生する。図１１は、フォトマスク基板１の表裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定する方法において、測定用ステージ１０上のフォトマスク基板１の法線が測定用ステージ１０回転軸（線Ｏ―Ｏ’）からずれた場合を示す図である。なお、図１１において、図８における参照符号と同一の参照符号が付されているものは、図８と同一の構成であるので説明については省略する。

図１１は、例えば、測定用ステージ１０上面の平滑性などに問題があり、図のようにフォトマスク基板１の法線が測定用ステージ１０回転軸（線Ｏ―Ｏ’）に対してφずれたような場合である。このような場合、例えば、フォトマスク基板１の厚さが６３５０μｍで、φが０．００４５°でると、上記のフォトマスク基板の表裏面の位置ずれを測定する方法によれば、０．５μｍの誤差を生じることとなり、大きな問題となっていた。

本発明は以上のような課題を解決するためのもので、請求項１に係る発明は、基板の表面に形成されたパターンと、該基板の裏面に形成されたパターンとの位置ずれを測定する基板表裏面パターン位置測定方法において、回転可能なステージ上に該基板を載置した第１状態で、該ステージの１８０°回転前後の２回の測定により該基板の表面のパターンと裏面のパターンの第１の位置ずれ量を求める第１位置ずれ量測定ステップと、該第１状態から該基板自身を測定用ステージに対して９０°もしくは１８０°回転させた第２状態で、該ステージの１８０°回転前後の２回の測定により該基板の表面のパターンと裏面のパターンの第２の位置ずれ量を求める第２位置ずれ量測定ステップと、該第１の位置ずれ量と該第２の位置ずれ量とから真の位置ずれ量を算出する真値位置ずれ量算出ステップと、からなることを特徴とする基板表裏面パターン位置測定方法である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の基板表裏面パターン位置測定方法を用いた測定装置である。

本発明の実施の形態に係る基板表裏面パターン位置測定方法によれば、フォトマスク基板の法線が、測定用ステージの回転軸（線Ｏ―Ｏ’）に対してずれているような場合においても、精度よくフォトマスク基板の表面および裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１に、本発明の実施の形態に係る基板表裏面パターン位置測定方法における測定原理を示す図である。図１は、フォトマスク基板の測定の様子を側面からみたものであり、１はフォトマスク基板、２は上面側対物レンズ、３は下面側対物レンズ、１０は測定用ステージをそれぞれ示している。

フォトマスク基板１は、測定用ステージ１０上に載置されて、フォトマスク基板１上面から上面側対物レンズ２によって、また、フォトマスク基板１下面から下面側対物レンズ３によって、観測されることによって、位置が測定される。測定用ステージ１０は、フォトマスク基板１を載置したまま線Ｏ―Ｏ’を中心として回転可能に構成されている。また、図中、線Ｔ―Ｔ’は、上面側対物レンズ２の光軸、線Ｂ―Ｂ’は下面側対物レンズ３の光軸をそれぞれ示している。

本発明の実施の形態に係る基板表裏面パターン位置測定方法における基本構成は、背景技術の欄で説明した事項と相違するものではないが、本発明の基板表裏面パターン位置測定方法においては、フォトマスク基板１の法線が測定用ステージ１０回転軸（線Ｏ―Ｏ’）に対してずれているような場合、所謂、角度ずれが生じているような場合の補正も考慮された基板表裏面パターン位置測定方法となっている。

図２は、本発明の基板表裏面パターン位置測定方法におけるフォトマスク基板１の角度ずれの定義を示す図である。図２におけるｘ軸、ｙ軸の原点は、測定用ステージ１０の回転軸である線Ｏ―Ｏ’が通過する点であり、図１において、ｘ軸方向は図面左から右への方向と定義するものとし、ｙ軸方向は紙面表面から裏面への方向と定義する。このようなｘ軸、ｙ軸の定義については、背景技術の欄で説明した事項と相違するものではない。フォトマスク基板１の角度ずれの定義は、図２に示すように、上記のように定義されたｙ軸の周りの角度ずれをθx、ｘ軸周りの角度ずれをθyとする。

図３は、本発明の基板表裏面パターン位置測定方法において、フォトマスク基板１に（θx，θy）の角度ずれが生じた場合を示す図である。ここで、位置ずれのないフォトマスク基板１の表面上の点Pと、裏面上の点Qについて考える。

図３に示すθxの角度ずれによって、上面側対物レンズ２からの観測、および、下面からの下面側対物レンズ３による観測がずれることとなり、そのずれ量は、図面からも分かるとおり、Ttanθxとなる。（なお、以下、簡単のために、線Ｏ―Ｏ’がP点を通るものと仮定する。）
図４は、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。図４（Ａ）は上面側対物レンズ２で点Ｐを測定している様子であり、図４（Ｂ）は下面側対物レンズ３で点Ｑを測定している様子であり、上記のようにフォトマスク基板１にθxの角度ずれが生じた場合の点Pおよび点Qの測定は図４に示すとおりである。

次に、点Ｐおよび点Ｑのそれぞれを、測定用ステージ１０を１８０°回転した状態で測定する。この方法についても、背景技術において記載したとおりである。図５は、測定用ステージ１０を１８０°回転して、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。図５（Ａ）は上面側対物レンズ２で点Ｐ₁₈₀を測定している様子であり、図５（Ｂ）は下面側対物レンズ３で点Ｑ₁₈₀を測定している様子である。図５においては、背景技術において記載したとおり、点Ｐ₁₈₀、点Ｑ₁₈₀それぞれはｘｙ座標の原点を中心に１８０°回転した状態となる。

本発明の基板表裏面パターン位置測定方法において特徴的な点となるのは、図３に示す状態から、フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で測定用ステージ１０に対して９０°回転させた上で、背景技術の欄で説明したような測定をあらためて行うことである。以下、図面に基づいてこのことについて説明する。なお、本発明においては、フォトマスク基板１自身を、測定用ステージ１０上で反時計回りに９０°回転させるものである。フォトマスク基板１自身をこのように回転させることと、測定用ステージ１０を回転させてフォトマスク基板１を１８０°回転させることとは異なるので留意されたい。

図６は、フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で９０°回転させた上で、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。フォトマスク基板１に（θx，θy）の角度ずれがある場合、図３に示す状態から、測定用ステージ１０を回転させることがなく、フォトマスク基板１のみを測定用ステージ１０上で９０°回転させると、θｙの角度ずれによる成分が、下面からの下面側対物レンズ３によって観測されることとなる。このずれ量は、Ttanθyとなる。

ここで、さらに、測定用ステージ１０を１８０°回転した状態で、フォトマスク基板１を上面側対物レンズ２および下面側対物レンズ３で測定する。すると、図７に示すようなものが観測される。図７は、測定用ステージ１０を１８０°回転して、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。図７（Ａ）は上面側対物レンズ２で点Ｐ₁₈₀を測定している様子であり、図７（Ｂ）は下面側対物レンズ３で点Ｑ₁₈₀を測定している様子である。

ここで、表面を基準とした裏面の位置ずれ（真値）を、
（ΔＸ，ΔＹ） （９）
とする。（７）、（８）式における定義とは異なることに留意されたい。以下、（７）、（８）式における（ΔＸ，ΔＹ）は新たに、（ΔＸ₀，ΔＹ₀）と定義し直される。

また、フォトマスク基板１の角度ずれを（θx，θy）とすると、角度ずれによって生じるｘ軸、ｙ軸方向へのシフト量を（α，β）とすると、（α，β）は次式（１０）によって求めることができる。
（α，β）＝（Ttanθx，Ttanθy） （１０）
フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で回転させずに、背景技術の欄の方法（測定用ステージ１０の１８０°回転前後の２回の測定により表裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定する方法）で測定した位置ずれを、
（ΔＸ₀，ΔＹ₀） （１１）
フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で反時計回りに９０°回転させた上で、背景技術の欄の方法（測定用ステージ１０の１８０°回転前後の２回の測定により表裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定する方法）で測定した位置ずれを、
（ΔＸ₉₀，ΔＹ₉₀） （１２）
とすると、フォトマスク基板１は測定用ステージ１０上で反時計回りに９０°回転させることから、以下の（１３）式乃至（１６）式が成立する。
ΔＸ₀＝ΔＸ＋α （１３）
ΔＹ₀＝ΔＹ＋β （１４）
ΔＸ₉₀＝−ΔＹ＋α （１５）
ΔＹ₉₀＝ΔＸ＋β （１６）
ここから、真値の位置ずれ（ΔＸ，ΔＹ）は、（１３）式乃至（１６）式からα、βを消去することによって、
ΔＸ＝（ΔＸ₀―ΔＹ₀―ΔＸ₉₀＋ΔＹ₉₀）／２ （１７）
および
ΔＹ＝（ΔＸ₀＋ΔＹ₀―ΔＸ₉₀―ΔＹ₉₀）／２ （１８）
というように求めることができる。

なお、以上の本実施形態においては、フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で測定用ステージ１０に対して反時計回りに９０°回転させた上で、背景技術の欄の方法（測定用ステージ１０の１８０°回転前後の２回の測定により表裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定する方法）で測定した位置ずれによって、真の位置ずれを求めるようにしたが、フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で９０°回転させる方向は、反時計回りに限定されるものではない。さらに、フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で測定用ステージ１０に対し１８０°回転しても９０°の場合と同様の考え方を適用してフォトマスク基板の表裏のパターンの真の位置ずれを求めることができる。具体的には、この場合式（１２）から式（１８）は、以下のようになる。

フォトマスク基板１を測定用ステージ１０上で反時計回りに１８０°回転させた上で、背景技術の欄の方法（測定用ステージ１０の１８０°回転前後の２回の測定により表裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定する方法）で測定した位置ずれを、
（ΔＸ₁₈₀，ΔＹ₁₈₀） （１９）
とすると、フォトマスク基板１は測定用ステージ１０上で１８０°回転させることから、以下の（２０）式乃至（２３）式が成立する。
ΔＸ₀＝ΔＸ＋α （２０）
ΔＹ₀＝ΔＹ＋β （２１）
ΔＸ₁₈₀＝−ΔＸ＋α （２２）
ΔＹ₁₈₀＝ΔＹ＋β （２３）
ここから、真値の位置ずれ（ΔＸ，ΔＹ）は、（２０）式乃至（２３）式からα、βを消去することによって、
ΔＸ＝（ΔＸ₀―ΔＸ₁₈₀）／２ （２４）
および
ΔＹ＝（ΔＹ₀―ΔＹ₁₈₀）／２ （２５）
というように求めることができる。

このような本発明の実施の形態に係る基板表裏面パターン位置測定方法によれば、フォトマスク基板の法線が、測定用ステージの回転軸（線Ｏ―Ｏ’）に対してずれているような場合においても、精度よくフォトマスク基板の表面および裏面のマークやパターン等の位置ずれを測定することができる。

実施形態では、表面と裏面をそれぞれ２つの対物レンズで観測する例を示したが、それに限定されるものではない。１つの対物レンズを用い、焦点を表裏両面で合わせながら計測する方法でも良い。

本発明の実施の形態に係る基板表裏面パターン位置測定方法における測定原理を示す図である。 本発明の基板表裏面パターン位置測定方法におけるフォトマスク基板１の角度ずれの定義を示す図である。 本発明の基板表裏面パターン位置測定方法において、フォトマスク基板１に（θx，θy）の角度ずれが生じた場合を示す図である。 フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。 測定用ステージ１０を１８０°回転して、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。 フォトマスク基板１をステージ上で９０°回転させた上で、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。 測定用ステージ１０を１８０°回転して、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。 従来のフォトマスク基板の表裏面のマーク等の位置ずれを測定する方法の原理を説明するための図である。 フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。 測定用ステージ１０を１８０°回転して、フォトマスク基板１の表面を上面側対物レンズ２で、裏面を下面側対物レンズ３で観測した様子を示す図である。 フォトマスク基板１の表裏面のマーク等の位置ずれを測定する方法において、測定用ステージ１０上のフォトマスク基板１の法線が測定用ステージ１０回転軸（線Ｏ―Ｏ’）からずれた場合を示す図である。 従来のフォトマスク基板の表裏面のマーク等の位置ずれを測定する方法の原理を説明するための図である。

符号の説明

１・・・フォトマスク基板、２・・・上面側対物レンズ、３・・・下面側対物レンズ、１０・・・測定用ステージ

Claims (2)

1. 基板の表面に形成されたパターンと、該基板の裏面に形成されたパターンとの位置ずれを測定する基板表裏面パターン位置測定方法において、
   回転可能なステージ上に該基板を載置した第１状態で、該ステージの１８０°回転前後の２回の測定により該基板の表面のパターンと裏面のパターンの第１の位置ずれ量を求める第１位置ずれ量測定ステップと、
   該第１状態から該基板自身を該ステージに対して９０°もしくは１８０°回転させた第２状態で、該ステージの１８０°回転前後の２回の測定により該基板の表面のパターンと裏面のパターンの第２の位置ずれ量を求める第２位置ずれ量測定ステップと、
   該第１の位置ずれ量と該第２の位置ずれ量とから真の位置ずれ量を算出する真値位置ずれ量算出ステップと、からなることを特徴とする基板表裏面パターン位置測定方法。
2. 請求項１に記載の基板表裏面パターン位置測定方法を用いた測定装置。

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