JPH0620907A

JPH0620907A - 光学式マイクロリソグラフィ用位置合せシステム

Info

Publication number: JPH0620907A
Application number: JP6689993A
Authority: JP
Inventors: Christopher J Progler; クリストファー・ジョン・プログラー; Alan E Rosenbluth; アラン・エドワード・ローゼンブルート
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1994-01-28
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: EP0568478A1; JP2598868B2; US5452090A

Abstract

(57)【要約】【目的】位置合せ精度が高いマイクロリソグラフィ用
の位置合せシステムを提供することである。【構成】共焦点空間フィルタ・システムが、位置合せ
マーク以外の表面形状フィーチャを区別する。ＣＣＤ検
出器アレイが、光学システムに合致した画素の重み付け
により、柔軟性のある共焦点フィルタを実現する。フィ
ルタの実験的最適化により、ＣＣＤアレイの重みを付け
直し、測定されたオーバーレイ結果に相関させる。これ
によって、システムの実証済みの工程に対する非感受性
が向上するだけでなく、解像度が改善され、共焦点結像
のノイズ拒絶も達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はリソグラフィ用位置合せ
システムに関し、より具体的には暗視野位置合せシステ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】逆暗視野（ＲＤＦ）位置合せシステム
は、投映された光スポットの下で走査される物体によっ
て散乱される光の全体を測定する。スポットのイメージ
に含まれる全エネルギーが位置合せ信号を形成し、それ
が走査中の位置の関数として測定される。光学系は、タ
ーゲットから鏡面反射された光を除外するように構成さ
れている。これは、検出器で、照明されたボリューム内
部のフィーチャによって散乱される光だけからイメージ
を形成させる、環状ミラーを用いてほぼ達成される。基
板のフィーチャを含まない平坦領域から反射された光
は、環状ミラーで集光されない。

【０００３】こうしたシステムは、上部被覆用レジスト
層中のマークによって誘発される変調や以前の処理段か
らの形状など、位置合せマークの縁部付近にある関係の
ない形状について、明視野システムよりも影響を受け難
い。走査式システムでは、小視野結像も可能であり、そ
れにより軸外れレンズ収差及びそれに関する位置合せマ
ーク位置の誤差が軽減される。小視野結像を用いると、
走査式システムが全視野照明を利用するシステムよりも
迷光の影響を受け難くなる。対象物から（垂直及び水平
方向に）遠く離れた所にある関係のないフィーチャから
散乱される迷光と、マーク縁部のごく近くにあるフィー
チャから散乱される外来信号とを区別することがある。

【０００４】最新のＲＤＦ（逆暗視野）システムでも、
両方の散乱光が関係のないバックグラウンド光に寄与す
る。このバックグラウンド信号の結果、位置合せマーク
信号と十分に区分されない場合、位置合せの外れが生じ
る。大抵の条件下では、マーク縁部は、走査スポットの
中央ピークを走査するとき、検出器で散乱エネルギーの
適度に明確なパルスを発生する。しかし、このパルスは
０．５μｍ未満のリソグラフィの位置合せ公差を満足す
るために、その幅のごく小部分の範囲内で位置合せしな
ければならない。したがって、より暗い照明の散乱性フ
ィーチャからの比較的弱い関係のない信号変調でも、マ
ーク位置の受け入れられないほど大きな外れをもたらす
可能性がある。このはっきりした証拠は、テスト対象が
レジストで被覆されたステップであるとき、リソグラフ
ィ位置合せシステムの測定された縁部応答がずっと幅広
くなるというよくある観察に見られる。不利な条件下で
は、粒状被膜などからの累積散乱が、マーク縁部からの
信号を完全に隠すことができる。

【０００５】Ｘ線リソグラフィ位置合せシステムは、マ
スクとウェハが非常に近接しているため、この点で特に
影響を受けやすい。こうした場合、照明された領域は、
イメージ面の断面積は全く狭いとはいえ、実質的な体積
を有する三次元円錐体と見なさなければならない。たと
えば、Ｘ線位置合せシステムがマスク・ウィンドウを通
してウェハ・マークを見るとき、マスクからの散乱され
た鏡面ノイズが、ウェハ位置合せ信号中の情報を乱し、
顕著なバックグラウンド・ノイズをもたらす（図１）。
現在市販されている位置合せシステムは、ウェハ位置合
せ格子がマスク位置合せ格子を通して直接に見られ、か
つ両方の格子が同時に光をイメージ面内に散乱する点
で、関連する感受性がある。図１は、ウェハ１０と開口
１２付きのマスク１１とを備える従来技術のシステムに
おける光学的迷光の出現を示している。照明光線１４が
開口１２を直接に通過してウェハ１０に当たる。光線１
４は上方に反射されてビーム１４^となる。鏡面ノイズ
「ビーム」１５は、開口１２でマスク表面から反射さ
れ、後方散乱されたノイズ１６もこの開口でマスク１１
の表面から反射され、前方散乱されたノイズ１７はウェ
ハ１０に達し、そこで反射された反射ノイズ１８とな
り、戻ってマスク１１の上で開口１２を通過する。ビー
ム１４^ならびに鏡面ノイズ１５及び散乱ノイズ１８は
すべてマスク１１の上方の集光域１９に向う。マスク鏡
面ノイズ「ビーム」１５及び散乱ノイズ１８は位置合せ
信号を乱す。ギャップが下がる（４０μｍ→２０μｍ）
と、位置合せ信号の乱れの問題が増大する。

【０００６】米国特許第４６２２５５７号は、共焦点で
はなく、暗視野照明を使用していない。この特許で使用
されるＣＣＤ処理は同じ原理を使用してはいない。異な
る信号プロセッサが記述されている。

【０００７】米国特許第４８１４８２９号は、共焦点空
間フィルタを使用していず、標準の暗視野システムを使
用している。フィルタは、イメージ面ではなく瞳孔面で
行われる。さらに、フィルタの形状は位置合せマークの
瞬間的イメージと合致しない。

【０００８】米国特許第４６６３５３４号は、共焦点で
はなく、すなわちフィルタ開口が結像システムの解像度
以下ではない。この実施例は、上記の米国特許第４８１
４８２９号に類似している。

【０００９】米国特許第４６１４４３１号は、近接位置
合せ用２重焦点位置合せシステムに関係している。

【００１０】米国特許第４７４４６６６号は、共焦点で
はなく、「共役関係から外れて」いる（第１欄、第６０
行）。

【００１１】米国特許第４９４７４１３号は、回折面で
フィルタを行う。空間的フィルタは、本発明のようにイ
メージ空間ではなく、周波数領域で行われる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ａ．
逆暗視野構成を使用し、かつｂ．共焦点空間フィルタ手
段を備え、それによって光信号が改善され、位置合せの
外れが減少して、共焦点暗視野位置合せシステムをもた
らす、マイクロリソグラフィ位置合せシステムを提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】共焦点空間フィルタ手段
は、共焦点フィルタとして二次元ＣＣＤ検出器アレイま
たはフォト・ダイオード・アレイ検出器を使用すること
が好ましい。本発明の一態様では、共焦点フィルタ手段
は、ＣＣＤアレイの重みを付け直し、測定されたオーバ
ーレイ結果に相関させることによる、フィルタの実験的
最適化を利用する。あるいは、位置合せ信号の性能係数
に基づいてフィルタ画素の重み付けを最適化することも
できる。この性能係数は、位置合せ信号の対称性とピー
ク振幅に基づくこともでき、また位置合せターゲット設
計の際にアプリオリにわかっている情報に基づくことも
できる。

【００１４】アプリオリ情報に基づく性能係数の例は、
A.スタリコフ（Starikov）、A.D.ロパタ（Lopata）、及
びC.H.プログラー（Progler）の論文"Use of A Priori
Information in Centerline Estimation", Proceeding
of the Microlithography Seminar, Interface^91, pp.
277〜285（1991）に見られる。この場合は、位置合せ信
号の対称性、冗長性及び統計を使用して、獲得された位
置合せデータの妥当性と品質を評価している。共焦点暗
視野画素の重み付けを実時間で行って、位置合せデータ
のこれらの属性を改善することができる。

【００１５】対向する縁部の勾配の比較や、対向する縁
部の散乱振幅の比較など、標準的な多くの信号対称性推
定値をウィンドウ最適化の際に性能係数として使用する
こともできる。

【００１６】本発明の別の態様では、共焦点空間フィル
タで共焦点フィルタとしてカッド検出器を使用する。

【００１７】フィルタが単一の位置合せマーク縁部の瞬
間的暗視野イメージに合致する構成では、共焦点平面フ
ィルタ手段は、２重スリットから構成されるフィルタか
らなる。

【００１８】画素の重み付けを、単一の孤立縁部（すな
わち２重スリット・フィルタ）の共焦点暗視野瞬間イメ
ージに合わせる代りに、フィルタを２重バー・ターゲッ
トの瞬間イメージに合わせることもできる。この２本の
バーは、投映ＮＡ（開口数）に対して解像不能である
が、集光ＮＡによってはっきり解像されるべきである。
このパターンを１回の走査中に何回も収集して、信号ノ
イズ比を改善することができる。

【００１９】空間フィルタは、ＣＣＤアレイなどの電子
式またはスライド式シャッタなどの機械式である。

【００２０】この位置合せシステムの構成は、集積回路
パターンの寸法測定に使用される。

【００２１】この位置合せシステムは、位置決めの応用
分野で位置ステージへの自動焦点合せフィードバックを
実施するのに使用される。

【００２２】検出器アレイ・フィルタ用の共焦点イメー
ジを形成するための集光開口及び照明開口を実時間で適
合させて、測定されたオーバーレイ結果または性能係数
を最適化することができる。

【００２３】本発明の好ましい態様では、１本または複
数の物理走査移動軸をもつシステムを仮想走査操作で置
き換える。この仮想走査移動は、ＣＣＤアレイ画素を検
査中の位置合せマークの軸に沿って電子式に投映するこ
とにより、投映された基準スリット・イメージをＣＣＤ
アレイ軸及び見られる位置合せマークに対してある角度
に向けることから得られ、上記位置合せマークの中心線
は、検出器またはターゲットの物理的移動なしに局在化
される。

【００２４】

【実施例】共焦点逆暗視野システム：本発明の一実施例
では、位置合せシステムが、位置合せマークにとって関
係のないフィーチャから散乱された光を区別するように
なっている。このことは、イメージ面内の空間フィルタ
を、暗視野照明及び集光瞳孔を通して投映された、中心
合せされた位置合せマークのイメージに合わせることに
よって達成される。顕微鏡術でしばしば見られることで
あるが、この新しい構成要素を１つ追加するだけで、シ
ステムの性質が根本的に変わる。この空間フィルタは、
反射されたスポットまたはスリットの経時変化する瞬間
イメージに含まれる情報にアクセスする。この情報の多
くは、従来の逆暗視野（ＲＤＦ）システムにおけるよう
にイメージが単に統合されるときは失われる。

【００２５】本発明を具体化した新しいシステムを、図
２に物理的開口に基づく実施例として示す。照明瞳孔を
使って、全般的にスリット・パターンまたはスリット列
に似た解像度以下の開口の詳細なイメージをウェハ２７
上に投映する。その後、集光瞳孔が空間フィルタ上に照
明されるボリューム内にある散乱性フィーチャのイメー
ジを形成する。鏡面反射光は集光されない。空間フィル
タを通過した後に初めて、イメージ中の全エネルギーが
集められて、走査中の特定の位置に位置合せ信号を形成
する。照明の主光線２１は、解像度以下の開口２０から
出て逆暗視野（ＲＤＦ）ミラー２２中の開口２３を通過
する。次に光線２１は対物結像レンズ２４に達し、そこ
で収束してビーム２５となり、マスク２６を通過してウ
ェハ２７に達する。ビーム２５の反射光はビーム３２と
して上方に戻り、レンズ２４を通過して、ミラー２２の
背面から右へビーム３３として反射され、リレー（チュ
ーブ・レンズ）２８を通過してビーム３４として現わ
れ、共焦点開口２９を通過し、次いでリレー・レンズ３
０を通過して、ビーム３５となり検出器３１に当たる。
検出器３１は、光増幅管またはフォト・ダイオードであ
る。

【００２６】図３は、共焦点開口２９のように物理的空
間フィルタが介在せず、ＣＣＤアレイ３６がリレー・レ
ンズ３０からのビーム３５を受ける、代替ＣＣＤに基づ
く実施例を示す。言い換えれば、物理的開口検出器対を
ＣＣＤに基づく仮想フィルタで置き換えることが可能で
ある。

【００２７】本発明の一実施例では、位置合せされたマ
ーク縁部の瞬間的イメージと合致する物理的開口を使っ
て共焦点フィルタを実施する。レジスト保護コートや粒
状構造などの関係のないフィーチャからの瞬間的イメー
ジへの寄与は、マーク縁部による寄与とは形状が全く異
なっている。共焦点フィルタ２９は、後方の信号を優先
して区別するように設計され、他のフィーチャの存在に
よってバイアスされ難い全体的位置合せ信号を提供す
る。各マーク縁部に関連する信号パルスも、フィルタに
よってバックグラウンド信号が抑圧され、かつ回折が制
限された共焦点システムの所与の開口数（ＮＡ）及び波
長での解像度が本来的に高いので、より鮮鋭になる。

【００２８】物理的開口と光学軸の位置合せは難しいこ
とがあり、またフィルタ関数は開口を交換しシステムを
位置合せし直さないと変更できない。本発明の好ましい
実施例では、物理的フィルタの代りにＣＣＤアレイを使
って、共焦点暗視野システムをより強力にしている。
（ＣＣＤは空間的フィルタ機能には全く適しているが、
この概念は広範囲の結像検出器にも適用される。）この
実施例では、アレイ内の異なる画素からの信号に重みを
付けて、仮想空間フィルタを作成する。最も簡単な場
合、重み付けは、歪みのない位置合せマーク縁部のイメ
ージに合致する空間フィルタをシミュレートする。そう
すると位置合せマークからではない関係のない信号が除
去される。フィルタは構成し直すことが可能なので、
幅、対称性及びノイズ除去についてレベルごとに最適化
できる。未フィルタの瞬間的イメージを記憶してオフラ
インで比較し、後で各レベルで得た測定値にかぶせ、フ
ィルタ関数の実験的改善を可能にすることができる。ま
た、位置合せ信号が弱いときは位置合せフィルタをイメ
ージ面のより大きな部分に開かせ、それによってより広
い領域で信号の平均を出せるように、ＣＣＤに基づく位
置合せシステムを構成することもできる。

【００２９】理論と実験データ：この空間フィルタは、
照明されるパターンの中心から離れた所にあるフィーチ
ャやシステム欠陥から散乱された光を強く区別する。図
４ないし図７は、光学ノイズを大幅に減少させ、シリコ
ン隔膜を通して結像するのに十分な焦面分離が達成でき
ることを示す、実験結果のグラフである。縦軸は位置合
せ信号の強度を表す電圧値、横軸はナノ秒単位の時間で
ある。図４と図５はポリイミド要素に関するものであ
り、図６と図７はシリコン隔膜に関するものである。図
４及び図６の場合、フィルタを使用せず、データがノイ
ズを非常に含んでいる。図５及び図７の場合は、フィル
タを使用し、データがずっときれいになっている。マー
ク縁部の中心が走査照明中にくるとき、他のフィーチャ
のイメージは空間フィルタ上に中心がこず、したがっ
て、大幅にブロックされる。このような区別は、全イメ
ージ強度を集めるのではなく、「点検出器」における強
度を集めてイメージ信号を形成する、共焦点走査式光学
システムの特徴である。イメージを小さなピンボールを
通すことによっても、同じ効果が得られる。

【００３０】照明開口と完全に位置合せされた鋭いステ
ップ（このステップは位置合せマークを表す）から生じ
るスポット・イメージのみを通すように空間フィルタを
最適化することにより、このバックグラウンド信号の区
別をさらに改善することができる。この場合は、フィル
タは、マーク縁部のごく近くにあるものであっても他の
種類のフィーチャから散乱される光は、高い効率で通過
させない。

【００３１】たとえば、単一の位置合せマーク縁部の瞬
間的暗視野イメージは２つの鮮鋭なピークの形をとり、
さらにより弱いピークがあって、縁部の中心が照明の下
にくるときその強度が最大になる。走査のこの地点で、
ピークの中点（イメージ中の暗フリンジ）が空間フィル
タ上に中心合せされる。

【００３２】図８を参照すると、これらのピークと位置
合せされた２つのオープン・スリットからなる空間フィ
ルタは、走査のこの地点で検出器に強いパルスを送る。

【００３３】それとは対照的に、下にあるマークによっ
てレジスト保護コート中に印刻されたものなどより穏や
かな位相スロープからフィルタ上に投映される瞬間的イ
メージは、フィーチャを含まないことも、非常にコント
ラストの低いピークをもつこともあるが、極めて幅が広
い。この光のうち２つのスリットを通過するものは比較
的少ない。フィラメント様または粒子様の散乱体の瞬間
的イメージは鮮鋭な単一のピークを生成し、そのピーク
は大抵は、強度が最大となる走査位置で空間フィルタの
２つのスリットの間にくる。したがって、このような関
係のない散乱はほとんどブロックされる。

【００３４】これらの瞬間的イメージを図８に示す。図
８には、スリット４１と４２を備えた、暗視野共焦点シ
ステム用の２重空間フィルタ４０が示されている。

【００３５】図の曲線の凡例は次の通りである。 − 実線は位置合せマーク縁部を表す。 ---- 破線はレジスト側壁を表す。 .... 点線は粒状散乱体に類似の単一画素オブジェクト
を表す。

【００３６】これらの異なるフィーチャの瞬間的イメー
ジの強い違いが非常に基本的な考慮から生じることを強
調するため、下記で提示するより厳密なＥ＆Ｍ計算とは
対照的な簡単なスカラー・モデルを用いて計算を実施し
た。話を簡単にするため、異なる物体の界面反射率はす
べて大きさを同じ（１）に設定した。界面反射率の位相
は、物体の高さｚ（ｘ）に比例する。

【数１】φ（ｘ）＝４πｚ（ｘ）／（Ｌ）

【００３７】上式で、ｚは物体の高さ、（ｘ）は水平位
置、φは光学的位相遅延、（Ｌ）は波長λである。

【００３８】考察した３種の物体について、各イメージ
の下にそれをプロットした。イメージのコントラストを
最大にするため、各物体について全変調深度を（Ｌ）／
２に設定した。イメージは、公称ピーク位置合せ信号に
対応する走査位置に示してある。イメージは、照明スポ
ットでの強度に対して正規化してある。イメージ強度の
差は、位置合せシステムの結像特性のみから生じ、材料
に依存するフレスネル反射の効果は含まれていない。レ
ンズのインパルス応答、すなわちパルス入力に対するレ
ンズの応答（対応する瞳孔のフーリエ変換）をｈ（ｘ，
ｙ）で表し、解像度以下の走査スリットを仮定すると、
走査中の時間ｔでの瞬間的イメージは、次式で計算され
る。

【数２】Ｉ（ｘ，ｙ，ｔ）＝｜（ｈ_Illum（ｘ，ｙ）ｅ^[iφ^(x,y,t)]）◆ ｈ_collec（ｘ，ｙ）｜²

【００３９】上式で、◆はたたみ込み、ｈ_Illumはレン
ズの照明部のインパルス応答、（ｘ，ｙ）は直交座標、
ｉは−１の平方根、φは光学的位相遅延、ｔは時間、ｈ
_collecはレンズの集光部のインパルス応答を表す。

【００４０】図９は、マーク４３と単一のスリット４４
を備えた、より一般的な明視野共焦点光学系での対照的
な結果を示す。図８の用例は図９にも適用される。明ら
かに図８の暗視野システムは、位置合せマークを優先し
て区別する能力がより秀れている。さらに一般的には、
これらの計算は、走査されたスリット照明光によって形
成される瞬間的イメージ中に有意味な情報が含まれてい
ることを例証している。この瞬間的イメージは、従来の
暗視野顕微鏡によって形成される暗視野イメージとも、
またシステムによって経時的に走査された全体的暗視野
位置合せ信号とも性質が根本的に異なっている。

【００４１】レジスト・オーバーコート中の変調など、
マーク縁部のごく近くにある構造的フィーチャの場合、
マークとレジスト・オーバーコートが実際には単一の複
雑な位置合せ対象の一体部分となっている。それにもか
かわらず、シミュレーションによれば、この共焦点暗視
野システムが、実際には、上記の議論で説明されるよう
に、レジスト保護コートの変動に対する感受性の低下を
もたらす。これは、図１０及び図１１に示されている。
図１０は、強度を正規化したＲＤＦ（逆暗視野）位置合
せ信号及び共焦点暗視野（ＣＤＦ）位置合せ信号のμｍ
で表した位置の関数としてプロットしたグラフを示して
いる。位置合せマークは、対称形のレジスト保護コート
を有する。

【００４２】このグラフ上の記号の凡例は次の通りであ
る。。走査ＤＦ（暗視野）ｘＣＤＦ（共焦点ＤＦ）

【００４３】図１１は、μｍ単位で表した位置の見かけ
上のシフトを、度で表した側壁角の非対称性の関数とし
てプロットしたグラフである。図１１は、位置合せ信号
に対するレジストの非対称性の効果を示している。グラ
フの一番左の点は、図１０と等価である。次々に右の点
へ向うにつれて、レジストの左側壁及び右側壁の傾斜部
がそれぞれ増加及び減少している。見かけ上のイメージ
位置のシフトは、標準の位置決め用閾値アルゴリズムを
使ってプロットしてある。

【００４４】このグラフ上の記号の凡例は次の通りであ
る。・逆暗視野＊逆共焦点ＤＦ（暗視野）

【００４５】この計算問題を扱いやすくするため、シミ
ュレーションでは、一次元光学システムと単色光源を仮
定する。ただし、実際には広帯域光源の方が好ましいか
もしれない。しかし、マックスウェル方程式の全Ｅ＆Ｍ
（電磁）解を使用した。

【００４６】図１２ないし図１６に、公称位置合せマー
クの瞬間的イメージと合致する重み付け関数を用いた空
間フィルタの結果を示す。この重み付けフィルタは、マ
ークの両縁からの平均に基づいている。次いで、レジス
トの傾斜部をマークの一縁部（左縁）上で外側に平行移
動させることによってレジスト保護コートが非対称に変
更されるので、この固定フィルタ関数による追加イメー
ジを計算する。図１２ないし図１６によれば、レジスト
の非対称性が約０．７μｍ以下である限り、標準のＲＤ
Ｆ結像の場合よりも空間フィルタの場合の方が、信号ピ
ークはマーク縁部をより精密に追跡する。

【００４７】図１２は図１０と類似しているが、レジス
ト中に異なる非対称性が導入されている。

【００４８】図１２のグラフ上の記号の凡例は次の通り
である。・走査ＤＦ（暗視野）。共焦点ＤＦ（暗視野）

【００４９】次々に右の点へ向うにつれて、レジストの
左側壁は等しい増分で左へ平行移動し、勾配は変化しな
いままである（「レジストの積み重ね」）。イメージは
一貫して相互に正規化され、したがって２つの位置合せ
モードでの信号強度を直接比較することができる。

【００５０】図１３ないし図１６は、図１２の個々のイ
メージを示している。各グラフの中央に、ラベルが関連
するレジスト側壁の平行移動量と共に記入してある。各
縁部の垂直線は、縁部からの位置合せパルスの位置決め
中に閾値アルゴリズムによって生成される。共焦点の場
合の縁部の位置だけが示してあり、ＲＤＦの場合の結果
の数値は図１２にプロットしてある。左縁部の点線の垂
直線は、測定による左縁部の位置である。ＲＤＦ信号と
共焦点信号の左縁部パルスを目で比較すると、レジスト
の変形が０．６７μｍのイメージであるイメージ中で
は、共焦点信号の方がマーク縁部に強くロックされる
が、レジスト対象物中の外乱がこれらの例で使用した鮮
鋭なフィルタ関数の範囲を越え始めていることがわか
る。共焦点ピークではＲＤＦよりも縁部の追跡が依然と
してやや良好であるが、大きな変位になるとピークの形
状はあらゆる規則性を失ってくる。これは、フィルタ関
数の実時間調節によって補正できる。

【００５１】図１３ないし図１６のグラフ上の記号の凡
例は次の通りである。・対称性追求ＣＤＦｘ走査暗視野

【００５２】穏やかな変動の場合、共焦点ピークは、レ
ジスト・オーバーコートによって解像度が著しくぼける
従来の走査システムからのピークよりもかなり鮮鋭なま
まである。通常のＲＤＦモードでのこの一次元レンズの
スカラー応答関数は、ｓｉｎｃ関数すなわち半値幅（Ｆ
ＷＨＭ）が１．２μのｓｉｎｘ／ｘ関数であるが、マー
クをコートするとＲＤＦ応答が著しく幅広くなる。これ
は実際にも観察されている。共焦点システムは、レジス
ト表面形状が公称値から穏やかに移動する場合（すなわ
ち、処理範囲の中心領域内）、この幅広化の多くを除去
し、より小さな位置合せの外れを示す。

【００５３】非対称性がより大きくなると、共焦点信号
は顕著に劣化する。ただし、このような低品質の信号を
排除するように位置合せソフトウェアを容易にプログラ
ミングすることができる。その代りに、こうした場合
に、画素アレイ内部のより広い範囲にわたって加算する
ことにより、位置合せ信号を生成するようにプログラミ
ングすることもできる。ずっと広い範囲でも、拡散迷光
を防止する大きなフィルタをもたらすことができ、信号
の形状は標準の暗視野システムのそれに近づく。

【００５４】ＣＣＤシステムでは、それよりかなり強力
な処理アルゴリズムの使用が可能になる。たとえば、特
定の処理レベルに最初に出会ったとき、瞬間的イメージ
を走査位置の関数として記憶することができる。二三の
サンプル・ウェハの処理後、オーバーレイ測定値を使っ
て、各瞬間的イメージに対する下側のマーク縁部の相対
位置を決定することができる。次いで、最適化された空
間フィルタを、縁部位置の最も正確な決定を可能にする
無バイアスのフィルタ関数として実験的に決定すること
ができる。オーバーレイ実験が積み重なるにつれて、各
レベルごとに重み付け関数を絶えず磨き上げることが可
能である。

【００５５】さらに精巧にすることが可能である。たと
えば、重み付け関数自体を、瞬間的イメージの測定され
た形状に従って変えることができる。上記の実験的訓練
段階の間に、システムは、簡単な重みベクトルの代りに
最適化された重み付け行列を求めることもできる。その
行列に瞬間的イメージを乗算すると、重み付け関数が得
られる訳である。位置合せ信号に対する必要な行列乗算
及びベクトル乗算は、最近のハードウェアを使って非常
に迅速に実施することができる。

【００５６】本発明の別の実施例では、共焦点チャネル
を位置合せチャネルで増補することができる。この実施
例では、散乱光に関する遠視野方向情報を提供するのに
十分なだけ検出器アレイが焦点を外れており、信号処理
アルゴリズムに追加の入力を与える。

【００５７】典型的なＣＣＤ（電荷結合素子）アレイ
は、多数の位置合せチャネルを並行して処理するのに十
分な数の画素を含んでいる。これによって、瞬間的信号
を増大させる多数スリット共焦点開口がサポートでき
る。

【００５８】ＣＣＤに基づく暗視野の従来技術に勝るも
う１つの利点は、逆暗視野システムで必要な走査移動を
単純化できる可能性があることである。たとえば、１つ
の軸を全視野暗視野チャネルとして処理し、第２の軸を
走査共焦点暗視野チャネルとして処理することにより、
１つの走査軸をなくすことができる。実際に、広帯域の
可視照明を用いる場合、本システムは、最初の位置合せ
の後、走査を全く省略することが可能である。その後
は、物理的移動の代りに「仮想」走査で位置合せを実施
することができる。広帯域の可視照明の下では、光子束
は非常に高くなって、実効スリット長さを大幅に減少さ
せることが可能になる。大域的位置合せが達成された後
は、マスクとウェハがほぼ位置合せされるので、必要な
実効走査長さが大幅に減少する。図１７を参照すると、
１つまたは複数の物理的走査移動軸をもつシステムが、
仮想走査操作で置き換えられている。ＣＣＤアレイ画素
を、検査中の位置合せマークの軸に沿って電子的に投映
することにより、投映された基準スリット・イメージを
ＣＣＤアレイ軸及び表示される位置合せマークに対して
ある角度に向けることから仮想走査移動が得られる。前
記の位置合せマークの中央線は、検出器またはターゲッ
トを物理的に移動させずに局在化される。もちろん、そ
の後に位置合せが許容差から外れているとシステムが判
定した場合は、位置合せを達成するために、さらに物理
的移動が必要となる。

【００５９】好ましい実施例：上記で論じたように、共
焦点暗視野位置合せで位置合せ信号を処理するのに必要
なソフトウェアは、標準のパルス・タイミング・アルゴ
リズム上に重なった単純な空間ウィンドウから、オーバ
ーレイ及びイメージ・データベースの非常に精巧な処理
までの範囲に及ぶことができる。大抵の点で、必要なハ
ードウェアはすぐ買い求めることができ、システムは通
常のＲＤＦシステムとほぼ同様に構成される。共焦点シ
ステムに関する新しい課題は、次の２点である。

【００６０】第一に、振動や熱ドリフトが存在する可能
性がある場合にも、瞬間的イメージと空間フィルタの間
（同じことであるが、照明開口と空間フィルタの間）の
位置合せを維持すること。第二に、位置合せ信号中で適
切な信号ノイズ比を維持すること。

【００６１】これと同等の問題が他の応用分野で解決さ
れている。たとえば、市販の共焦点顕微鏡は、独立した
照明ピンホールと集光ピンホールの間の位置合せを、集
積回路の位置合せに適した許容差の範囲内に保ってい
る。放射測定及びＳＮＲ（信号ノイズ比）に関しては、
約１秒間の積分時間でリソグラフィ用レンズのポイント
・スプレッド関数をマップアウトすることのできる検出
システムが作成されている。共焦点位置合せではもっと
短い積分時間が必要であるが、広帯域照明が使用でき、
このシステムは、比較的ノイズの多いカメラを使用し、
照明用に１本の紫外水銀線のみを使用し、両方の次元が
解像度以下のピンホール試験アパーチャを使用してい
る。マップアウトすべきイメージが一次元のみで狭くな
っている。

【００６２】開口とフィルタの位置合せの問題は、シス
テムが短時間安定であれば、直接解法に適している。開
口と空間フィルタの間の位置合せにドリフトが生じて
も、スリット・イメージ中に誤った配向のマークを走査
すれば速やかに矯正できる。次いで、検出器アレイ上の
反射イメージの位置が、走査方向に沿った、重み付け関
数を中心決めすべき位置をもたらす。（他の軸に沿った
位置は重要ではない。）フィルタまたは開口の基線が精
密位置決め装置上に設けられている場合は、同じ技法を
物理フィルタで実施することができる。高コントラスト
の基準対象物と長い積分時間が使用できるので、上記の
較正操作中にフルエンス要件は重要ではない。

【００６３】これとは対照的に、実用的なスループット
を得るには、基本位置合せ走査は約２５０ミリ秒以内に
完了しなければならない。最初の１、２回の位置合せに
はそれより長い時間が許される。こうした最初の位置合
せでウェハまたはマスクが位置決めされた後は、後続マ
ークの位置はよくわかっており、その後は走査はマーク
のごく近くから開始できる。驚くべきことに、各画素の
強度を時間の関数として適切に特徴付けるのに２、３回
の測定しか必要でなく、たとえば６４個の点から信号が
形成できるといって間違いない。１走査点当り１ビデオ
・フレームの場合、このような信号を得るのに約２秒か
かるが、遅延・積分方式を使用するとこれを著しく速め
ることができる。たとえば、単一フレームの持続時間中
走査する場合、（垂直に配向する走査スリットで、）各
行の積分時間が一番上の行の０秒から一番下の行の１／
３０秒まで増加するような形で各行の遅延時間を選定す
れば、各行の内容が読み出せることになる。そうする
と、各列に沿った信号の導関数が、イメージ内の特定の
位置での時間変動を与えることになる。ある瞬間のある
行に沿ったすべてのこうした導関数が、その瞬間の瞬間
的イメージをもたらす。

【００６４】最新のＣＣＤアレイのノイズ・レベルは低
いので、強度要件は大幅に緩和されている。必要なら、
ツール・セットアップ中に非均一性及び非直線性につい
てＣＣＤの較正を行うこともできるが、最近のＣＣＤチ
ップではこれは不要であろう。可視の（赤外でも）広帯
域照明は、レジストの透過性をもたらし、かつ単色照明
に伴う信号変動の平滑化という利点ももたらす。広帯域
可視照明はまた、共焦点位置合せシステムで高い信号ノ
イズ比を達成しやすくする。たとえば、２００Ｗの水銀
灯を４８００°Ｋの黒体として近似すると、アーク表面
の各（Ｌ）²領域は、５５０〜７００ｎｍで毎秒約６×
１０¹²個の光子を発出する。（この実効温度は、発売元
のランプ仕様にほぼ合致する。）放射測定から、１秒間
に照明レンズは、ほぼこれと同数の６×１０¹²個の光子
をイメージ中の各回折制限解像要素に送ることになる。
中央の半分が照明用の開口数（ＮＡ）を形成する。０．
６ＮＡのレンズを例にとると、ある波長の解像度は次式
のようになる。

【数３】

【００６５】信号獲得に０．２秒の余裕を認め、位置合
せマークの縁部長さが５００μｍ（すなわち解像度の４
００倍）と仮定すると、ウェハ上のスリット・イメージ
に送られる光子の合計数は約５×１０¹⁴個となる。実際
には、スリットは本当に解像度以下である必要はなく、
０．５（Ｌ）／ＮＡのスライド幅でも十分に許容され、
約１の透過率を与える。とはいえ、照明ステップでの効
率を僅か０．０１であると仮定すると、送られる５×１
０¹²個の光子は約２５０ｍＪ／ｃｍ²に相当する。この
値は、レジストが露光されない可視スペクトルの範囲内
で十分に許容され、また１％という効率は控え目すぎ
る。ウェハからの弱散乱条件の下での暗視野イメージ強
度を０．００１と仮定し、さらに集光した光をＣＣＤア
レイ上に結像させる際の効率を０．０１と仮定すると
（どちらの仮定も全く控え目である）、検出器における
イメージは約５×１０⁷個の光子を含むことになる。ア
ナモルフィック光学系を用いてこのイメージを５１２×
３０画素に圧縮すると、１画素当り約３０００個の光子
になる。熱電冷却式ＣＣＤカメラ（すなわち固定冷却、
外部冷却は不要）を用いる場合、−５０℃での暗電流は
０．２秒間に１画素当り僅か電子１〜２個である。した
がって信号ノイズ比（ＳＮＲ）は約６０に制限されたシ
ョット・ノイズとなり、信号の位置がレンズの解像度の
ごく小部分の範囲内で位置合せできることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】後方散乱ノイズと反射ノイズを示す、従来技術
の光学系の概略図である。

【図２】位置合せマーク以外の表面形状フィーチャを区
別する共焦点空間フィルタ・システムを用いた逆暗視野
（ＲＤＦ）マイクロリソグラフィ位置合せシステムを示
す図である。

【図３】光学システムに合致する画素の重み付けによる
共焦点フィルタ用の代替ＣＣＤデバイスを備える、図２
の検出器の修正形を示す図である。

【図４】ポリイミド被膜要素について、光学ノイズを大
幅に減少させ、シリコン隔膜を通して結像するのに十分
な焦面分離が達成できることを示す、実験結果のグラフ
である。

【図５】ポリイミド被膜要素について、光学ノイズを大
幅に減少させ、シリコン隔膜を通して結像するのに十分
な焦面分離が達成できることを示す、実験結果のグラフ
である。

【図６】シリコン隔膜について、光学ノイズを大幅に減
少させ、シリコン隔膜を通して結像するのに十分な焦面
分離が達成できることを示す、実験結果のグラフであ
る。

【図７】シリコン隔膜について、光学ノイズを大幅に減
少させ、シリコン隔膜を通して結像するのに十分な焦面
分離が達成できることを示す、実験結果のグラフであ
る。

【図８】本発明による逆暗視野共焦点空間フィルタを示
す図である。

【図９】より一般的な明視野共焦点光学系での対象的な
結果を示す図である。

【図１０】共焦点逆暗視野での解像度の向上を示す、標
準の逆暗視野を共焦点暗視野と比較した図である。

【図１１】標準の逆暗視野を共焦点暗視野と比較した図
である。

【図１２】図１０に類似しているがレジスト中に異なる
非対称性を導入した、公称位置合せマークの瞬間的イメ
ージと合致する重み付け関数による空間フィルタの結果
を示す図である。

【図１３】図１２の個々のイメージを示す、公称位置合
せマークの瞬間的イメージと合致する重み付け関数によ
る空間フィルタの結果を示す図である。

【図１４】図１２の個々のイメージを示す、公称位置合
せマークの瞬間的イメージと合致する重み付け関数によ
る空間フィルタの結果を示す図である。

【図１５】図１２の個々のイメージを示す、公称位置合
せマークの瞬間的イメージと合致する重み付け関数によ
る空間フィルタの結果を示す図である。

【図１６】図１２の個々のイメージを示す、公称位置合
せマークの瞬間的イメージと合致する重み付け関数によ
る空間フィルタの結果を示す図である。

【図１７】広帯域可視照明の下で、物理的移動の代りに
「仮想」走査によって位置合せを行うとき、光子フラッ
クスが非常に高くなり、使用するスリットの有効長さを
大幅に減少することができることを示す図である。大域
位置合せが達成されると、マスクとウェハがほぼ位置合
せされるので、必要な実効走査長さが大幅に減少する。
これによって、図１７に示すように、スリット長さに沿
って走査を多重化することが可能になる。

【符号の説明】

２２暗視野（ＲＤＦ）ミラー２３開口２４対物結像レンズ２６マスク２７ウェハ２８リレー（チューブ・レンズ）２９共焦点開口３０リレー・レンズ３１検出器３６ＣＣＤアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アラン・エドワード・ローゼンブルートアメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨークタウン・ハイツ、ヒッコリー・ストリート 3017

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）逆暗視野構成と、ｂ）共焦点空間フィルタ手段とを備え、それによって光
学信号が改善され、位置合せの外れが減少して、共焦点
暗視野位置合せシステムを実現する、マイクロリソグラフィ位置合せシステム。
【請求項２】前記共焦点空間フィルタ手段が、共焦点フ
ィルタとして二次元ＣＣＤ検出器アレイを使用すること
を特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３】前記共焦点空間フィルタ手段が、共焦点フ
ィルタとしてフォト・ダイオード・アレイを使用するこ
とを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項４】前記共焦点空間フィルタ手段が、ＣＣＤア
レイの重みを付け直し、測定されたオーバーレイ結果に
相関させることによる、実験的最適化を使用することを
特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項５】前記共焦点空間フィルタ手段が、２重スリ
ットからなるフィルタを含み、それにより、単一の位置合せマーク縁部の瞬間的暗視野イメージに合
致するフィルタ構成が得られることを特徴とする、請求
項１記載のシステム。
【請求項６】前記共焦点空間フィルタ手段が、２重バー
の瞬間的イメージに合致するフィルタからなり、前記２
重バー・ターゲットが、共焦点投映ＮＡに対して完全に
解像度以下であるが、共焦点集光ＮＡによって解像され
ることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項７】空間フィルタのウィンドウ・サイズが、位
置合せ信号の性能係数が最適になるように自動的に適合
され、前記性能係数が位置合せ信号の対称性とピーク振幅基準
からなることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項８】前記位置合せシステム構成が、集積回路パ
ターンの次元測定に使用されることを特徴とする、請求
項１記載のシステム。
【請求項９】前記位置合せシステムを使って、位置決め
用の位置決めステージに自動焦点合せフィードバックを
提供することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】検出器アレイ・フィルタ用の共焦点イメ
ージを形成する集光開口と照明開口が、測定されたオー
バーレイ結果が最適になるように実時間で適合されるこ
とを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】物理的走査移動の１つまたは複数の軸が
仮想走査操作で置き換えられ、前記仮想走査移動が、検査中の位置合せマークの軸に沿
ってＣＣＤアレイ画素を電子的に投映することにより、
投映された基準スリット・イメージをＣＣＤアレイ軸及
び表示される位置合せマークに対してある角度に向ける
ことから得られ、前記位置合せマークの中心線が、検出
器またはターゲットを物理的に移動させずに局在化され
ることを特徴とする、請求項２記載のシステム。