JPH10253320A

JPH10253320A - 位置ずれ量測定装置

Info

Publication number: JPH10253320A
Application number: JP6922897A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Suzuki; 高彦鈴木
Original assignee: Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: JP3414975B2

Abstract

(57)【要約】【課題】グレインの影響を抑えて高い精度で位置ずれ量
を測定することができる位置ずれ量測定装置を提供する
ことにある。【解決手段】光源からの照射光を十字スリットを有する
開口絞りを介して対物レンズに導入して試料に落射照明
を行う落射照明光学系を有していて、対物レンズの瞳位
置において十字の一方のスリットがパターンに沿った方
向の映像になり、十字の他方のスリットがパターンと直
角な方向の映像になる十字スリットであって、対物レン
ズの瞳径に対する映像との比σにおいてσ＝０．３以下
に設定されるスリットの幅とσ＝０．６以上に設定され
るスリット長さを持つように選択され、複数のパターン
と直角な方向に配列された受光素子により検出信号を得
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、位置ずれ量測定
装置に関し、詳しくは、ウエハ上に形成された各種のパ
ターンの相互間の位置ずれ量、いわゆるレジストレーシ
ョンを測定する位置ずれ量測定装置において、アルミニ
ューム表面等の凹凸（グレイン）に影響されずに信頼性
の高いずれ量が測定できるようなレジストレーション測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ＩＣの製造においては、表面が平
滑なサブストレートのウエハに対して、各種のパターン
が形成される。これらのパターンは相互間の位置が正確
に形成されることが必要であって、既形成パターンと次
に形成するパターンとの間で、その相互間の位置ずれ
量、いわゆるレジストレーションが精密に測定されてい
る。例えば、ある半導体製造工程において、マスク等を
介して露光により形成されたレジストパターンに対して
その１つ前の工程ですでに下層に形成されている、エッ
チングされたパターンとの間の位置ずれ量がレジストレ
ーション測定装置（位置ずれ量測定装置）により高精度
に測定される。そして、ここでのずれ量があらかじめ設
定されている規定値を越えているときには、形成された
レジストパターンは、洗浄されて、再形成されることに
なる。

【０００３】近年、１６Ｍから６４Ｍ、２５６Ｍと、Ｄ
ＲＡＭの記憶容量の飛躍的な増加に伴い、この位置ずれ
量の測定検査がますます重要となってきている。しか
も、露光により形成されたレジストパターンとその１つ
前の工程ですでに形成されている、エッチングされたパ
ターンとの位置ずれ量の管理値も小さくなり、高精度な
測定が要求される。

【０００４】図９（ａ）は、位置ずれ量を測定するため
に設けられたずれ量測定マークパターンの１つについ
て、あるプロセスにおけるウエハのＸ方向またはＹ方向
の断面の一例を示す。位置合わせマークパターンとして
は、例えば、まず、先にウエハ３１の表面に酸化シリコ
ンのパターン３２が適当なギャップＬをなして１つ前の
工程で矩形枠に形成され、パターン３２を覆ってウエハ
１の全面にアルミニュームの薄膜３３が蒸着される。さ
らに、ギャップＬの中心付近３１に幅がｄのフォトレジ
ストの矩形パターン３４が現在の工程における露光によ
って形成される。測定装置の光学系によりこれらの表面
に対して落射照明光を照射して反射光を１ラインＣＣＤ
センサにより検出すると、（ｂ）に示す信号波形がえら
れる。アルミニューム薄膜３３は不透明であるためパタ
ーン３２は検出されないが、そのエッジにより薄膜３３
が湾曲しているので、湾曲部Ｋに対するピークｐ_Kが検
出されて、両ピーク間の距離Ｌ’が計測され、その中心
点ｍ₁の位置が求められる。また、パターン３４の両
側のエッジに対するピークｐ_rが検出されて両ピーク間
の距離ｄ′が計測され、その中心点ｍ₂の位置が求めら
れる。そして、両中心点ｍ₁とｍ₂の間隔δαがパターン
３２に対するパターン３４の位置ずれ量とされる。な
お、図では省略してあるが、上記のウエハ１に対して反
応性イオンエッチング処理を行って、パターン３４に対
応する薄膜３３の部分を残留させてアルミニュームの配
線パターンを形成し、その位置ずれ量が上記と同様な方
法にて測定される。

【０００５】位置ずれ量δαなどの許容値は、ＩＣの集
積度が増加するに伴ってますます小さくなり、例えば６
４メガにおいては８０〜１００ｎｍとされ、これに対す
る測定精度は１０ｎｍ以下が要求されている。それが２
５６Ｍへと移行した場合には、この許容値は、さらに厳
しくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図９（ａ），（ｂ）
は、枠の内側に設けられたずれ量測定マークパターンの
段差が高く、理想的な測定状態での測定波形である。実
際には、ＤＲＡＭの記憶容量の増加に伴い、後述する図
３に示すように、枠内側のパターンの段差はより低くな
る。そのため、パターンのエッジはなまり、信号波形に
は各種のノイズが乗り、さらにウエハを含めて試料面自
体に凹凸があるのでその影響を受ける。この凹凸は、特
に、アルミニューム薄膜３３などの金属表面に現れる不
規則な凹凸（以下グレイン）により発生し、それが反射
光として検出信号に重畳して現れてくる。そのために、
図９（ｂ）の検出信号波形の平坦な信号部分（基準レベ
ル）にうねりを与え、かつノイズを生じさせる。その結
果、ピークにずれが生じ、あるいは疑似ピークが発生し
てその位置を正確に測定できない。しかも、対物レンズ
のフォーカス位置のずれに応じてその影響が大きく現
れ、フォーカスを正確に行わないと安定した測定値が得
られない問題がある。

【０００７】このような問題を回避する１つの方策とし
て、コントラストを上げる対策が採られる。コントラス
トを向上させる単純な方法として対物レンズの瞳径と瞳
位置での光源像の径との比σ、すなわち、（瞳位置での
光源像の径／瞳径）の値σを小さくすることが行われ
る。なお、光源は、通常、円形のピンホールを介して対
物レンズに至り、テレセントリックな状態で落射照明
（ケーラー照明）でウエハに照射される。そのため、ウ
エハに対して垂直方向に検出光学系が配置される。この
場合、経験的にσは、σ＝０．５〜０．６で最も安定し
た検出像が得られる。しかし、このσをさらに小さくし
てコントラストを上げる対策を採ると、同時にグレイン
の影響が大きくなり、本来のピークが検出し難くなる問
題が生じる。もちろん、σを大きく採れば、グレインの
影響を小さくすることができるが、その分、ピークレベ
ルも低下してノイズに影響され易くなる。この発明の目
的は、このような従来技術の問題点を解決するものであ
って、グレインの影響を抑えて高い精度で位置ずれ量を
測定することができる位置ずれ量測定装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るためのこの発明の位置ずれ量測定装置の特徴は、光源
からの照射光を十字スリットを有する開口絞りを介して
対物レンズに導入して試料に落射照明を行う落射照明光
学系を有していて、対物レンズの瞳位置において十字の
一方のスリットがパターンに沿った方向の映像になり、
十字の他方のスリットがパターンと直角な方向の映像に
なる十字スリットであって、対物レンズの瞳径に対する
映像との比σにおいてσ＝０．３以下に設定されるスリ
ットの幅とσ＝０．６以上に設定されるスリット長さを
持つように選択され、複数のパターンと直角な方向に配
列された受光素子により検出信号を得るものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】このように、比σについて十字ス
リットが対物レンズの瞳径に対する映像との比σにおい
てσ＝０．３以下に設定されるスリットの幅とσ＝０．
６以上に設定されるスリット長さを持つように選択され
ているので、パターンと直角に配置される受光素子との
関係において、パターンに直角な方向、言い換えれば、
複数の形成パターンに跨る方向ではσ＝０．６より受光
素子からみてこれに沿った大きな横長スリットとなり、
パターンに沿った方向、言い換えれば、各パターンの方
向に対応するパターンの検出方向ではσ＝０．３以下に
なる受光素子からみてこれと直角方向にある縦長スリッ
トとなる。これにより、パターン検出方向に対するパタ
ーン（エッジ）からの検出信号のコントラストを向上さ
せると同時に、検出方向に沿ってσがσ＝０．６より大
きくなっていることでグレインの凹凸のコントラストを
低下させることができる。その結果、グレインによる検
出信号のノイズレベルを抑制し、良好なピーク値を持つ
検出信号を得ることができる。

【００１０】まず、図６，図７において、本願発明の原
理を説明する。（ａ）に示すのが、対物レンズの瞳径と
対物レンズの瞳位置における十字スリットのスリット像
との関係である。５３ａは、十字スリットの瞳位置での
スリット像であり、１ａが対物レンズにおける瞳径（視
野）である。ただし、十字スリット像５３ａは、ここで
はσ＝０．３以下に設定されるスリットの幅（σ＝０．
００６）とσ＝０．６以上に設定されるスリット長さ
（σ＝０．９）を持つように選択されているとする。な
お、ＣＣＤは、複数のパターンと直角な方向に配列され
た受光素子の一例であり、Ｄsは、このＣＣＤの検出信
号である。（ｂ）は、パターンに沿った方向だけの縦長
スリットを設けた場合のスリット像５３ｂにおけるＣＣ
Ｄによる検出信号Ｄsと、レジストレーションマークＭ
との関係であり、（ｃ）は、パターンに直角な方向だけ
の横長スリットを設けた場合のスリット像５３ｃにおけ
る検出信号Ｄsと、レジストレーションマークＭとの関
係である。先に円形ピンホールの場合で説明したよう
に、（ｂ）に示すパターンに沿った方向でσを小さく採
ったスリットでは、視野の範囲で得られる受光素子（Ｃ
ＣＤ）で検出される検出信号Ｄsのコントラストは向上
する。しかし、同時にグレインの影響を受けて、多数の
ピークも発生し、これがノイズになる。

【００１１】一方、（ｃ）に示すパターンと直角な方向
でσを大きく採ったスリットでは、視野の範囲で得られ
る受光素子（ＣＣＤ）で検出される検出信号Ｄsのコン
トラストは低下して検出信号もグレインからの平均化さ
れ、なまった波形になる。そして、（ａ）に示す十字ス
リットにすると、検出信号Ｄsは、（ｂ）と（ｃ）との
和になり、（ｂ）の特性が優先的に現れ、グレインから
の信号は、横長スリット側の特徴が現れ、積分され平均
化されてコントラストが低下する。その理由は、次のよ
うなことで説明できる。

【００１２】図７は、その説明図である。１は対物レン
ズ、９はウエハであり、表面にはグレイン部分Ｇがあ
る。テレセントリックな関係では試料に対して本来平行
光であるはずであるが、図示するように横長スリットの
場合には、多方向から照明光が試料に照射されることに
なり、照射光の平行性が低減し、低コーヒレント光にな
る。しかも、グレインは、レジストレーションマークＭ
と異なり、図（ｃ）に示すように、多数の凹凸であるの
で縦長のスリットのときより多くのグレインからの信号
が受ける。これは、横方向は、パターンに直角な方向で
あり、沿ったものではないので、それだけグレインから
の影響を多く受け易いからである。この点、縦方向は、
パターンに沿った方向となるので、横方向のグレインの
影響に比べて縦方向のグレインの影響は、パターンが存
在する分低減され、たとえ縦長スリが存在していたとし
ても、結果として横方向のグレインの影響を大きく受け
て積分された信号が得られると考えられる。一方、縦長
スリットは、パターンに沿っているので、パターンに対
しては、高コーヒレント光により照射される。そのた
め、パターンエッジについての検出信号は、高いコント
ラストが維持される。

【００１３】このような高，低コーヒレント光によりグ
レインからの信号を抑止し、パターンエッジを検出する
ことから、十字スリットの重心は、瞳の中心に来ること
が重要であり、好ましい。その理由は、瞳の中心に対し
てスリットの重心が一致していない場合には、照明光の
平均的な照射角度がウエハ面に対して垂直とならないか
らである。その結果、波形の対称性がくずれて正確な測
定値を得ることができなくなる。

【００１４】図８は、十字スリットの幅と長さとの関係
におけるＣＣＤの検出信号についての説明図であって、
（ａ）は、十字スリットの幅と長さの関係を示し、
（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ幅と長さを変えた場合のＣ
ＣＤの検出信号の状態を示している。図８（ａ）に示す
ように、ＣＣＤに対して直角方向となる縦方向のスリッ
ト幅をσ＝０．３とし、縦方向のスリット長さをσ＝
０．６に固定し、ＣＣＤに対して平行となる横方向のス
リット幅をσ＝Ａとし、スリット長さをσ＝Ｂとして、
これらＡ，Ｂを変化させたときのＣＣＤの検出信号の状
態を実験により確認すると（ｂ）〜（ｄ）に示されるよ
うな結果になる。ここで、縦方向を固定として横方向の
スリット幅をσ＝Ａとし、スリット長さをσ＝Ｂとして
変化させているのは、横方向の幅と長さの関係が検出信
号のコントラストの向上（横方向の幅）とグレインのコ
ントラスト低下（横方向の長さ）とに関係しているから
である。

【００１５】図８（ｂ）に示されるように長さＢをσ＝
０．６に固定した場合には、幅Ａについてはσ＝０．４
でノイズレベルが増加して検出信号のコントラストが悪
くなる。これに対して幅Ａがσ＝０．３以上では良好な
検出信号が得られる。また、図８（ｃ）に示されるよう
に幅Ａをσ＝０．３に固定した場合には、長さＢについ
てはσ＝０．５でノイズレベルが増加して検出信号のコ
ントラストが悪くなる。これに対して長さＢがσ＝０．
６以上では良好な検出信号が得られる。

【００１６】図８（ｄ）は、幅Ａと長さＢとを同時に変
化させたときの検出信号とノイズとの状態を示してい
る。これにみるように、幅Ａと長さＢについては、幅Ａ
についてσ＝０．４、長さＢについてσ＝０．５では、
ノイズが大きくなって良好な検出信号を得ることは難し
い。前記したように、幅Ａがσ＝０．３以下であり、長
さＢが０．６以上であると良好な検出信号が得られるこ
とが分かる。このように十字スリットの条件を比σにつ
いて対物レンズの瞳径に対する映像との比σにおいてσ
＝０．３以下に設定されるスリットの幅とσ＝０．６以
上に設定されるスリット長さを持つように選択すること
により、この十字スリットでは、３nm程度の検出が可能
である。この点、従来丸形のピンホールでは、段差が２
０nm程度が限界である。

【００１７】なお、条件は、幅について以下の場合にゼ
ロも含まれてしまうが、これは、スリットである以上、
幅がゼロということはなく、選択された瞳径との関係で
最小値は設計に応じて選択されればよいものであって、
特定されるものではない。同様に、長さについて以上の
場合に無限大まで含まれてしまうが、これは、十字スリ
ットである以上、設計上からして自ずと上限があって、
これも選択された瞳径との関係で最大値は設計により選
択されればよいことである。

【００１８】

【実施例】図１は、この発明の位置ずれ量測定装置を適
用した一実施例のレジストレーション測定装置の説明図
であり、図２は、そのスリットの形状の説明図、図３
は、ずれ量測定マークパターンと検出波形の説明図、図
４は、ずれ量測定マークパターンが形成されたウエハ上
のチップ位置の説明図、図５は、本願発明における十字
スリットと円形のピンホールとのばらつき量の説明図で
ある。１００は、レジストレーション測定装置であっ
て、１は、落射照明を行い、ウエハ９からの反射光をＣ
ＣＤリニアセンサ１０とＣＣＤリニアセンサ１１に送る
対物レンズである。この対物レンズ１の中心に位置合わ
せされて、ハーフミラー２，リレーレンズ３，ハーフミ
ラー４，シリンドリカルレンズ５（Ｘ軸方向）、シリン
ドリカルレンズ６（Ｙ軸方向）がそれぞれ設けられてい
る。なお、ＣＣＤリニアセンサ１０とＣＣＤリニアセン
サ１１は、それぞれレジストレーション測定における位
置ずれ量を検出するために設けられたＸ方向，Ｙ方向の
反射光を受光する検出器であって、制御回路２０により
ＣＣＤリニアセンサ１０，１１のＣＣＤ駆動回路１４を
介して駆動される。

【００１９】ここで、ハーフミラー２は、照明光学系５
０からの照射光を受けて対物レンズ１へと向かわせ、ウ
エハ９に対して落射照明を行う。ハーフミラー４は、Ｘ
方向とＹ方向との検出系にウエハ９からの反射光を分離
する。照明光学系５０は、光源５１の発光光を、光路の
途中に設けられた集光レンズ系５２と、開口絞り５３、
リレーレンズ５４とを経てハーフミラー２に照射し、対
物レンズ１へと供給する。７は、ウエハチャック、８
は、ウエハチャック７をＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺ
移動ステージ、９は、ウエハチャック７にチャックされ
たウエハである。

【００２０】なお、ウエハ９には、図３に示すずれ量測
定マークパターンが各チップの４隅Ａ＝NO.1〜NO.4，…
Ｅ＝NO.17〜NO.20（図４参照）に形成されたチップＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの各チップを有している。ずれ量測定マ
ークパターンは、図３（ａ）に示すように、ここでは、
二重の矩形枠からなる。そのうち内側枠が１つ前の工程
（シリコン基板層２７）ですでに形成されている基準層
マークパターン（基準層パターン２４）であり、外側枠
が現在の工程で生成された合わせ層マークパターン（合
わせ層パターン２５）である。（ｂ）はそのＸ方向の断
面図であり、（ｃ）がその検出信号波形である。

【００２１】図中、２３は、層間絶縁膜であり、２６が
アルミニューム配線層である。そして、２８は湾曲によ
り盛り上がったアルミニューム配線層の部分である。も
ちろん、合わせ層パターン２５は、レジストにより形成
されたものである。（ｃ）に示す波形は、ＣＣＤリニア
センサ１０（Ｙ方向の場合にはＣＣＤリニアセンサ１
１）により得られるものであり、それがＡ／Ｄ変換回路
（Ａ／Ｄ）１５を介して制御装置２０に入力される。信
号波形のうち２５ａが合わせ層パターン２５により発生
するピーク信号、２４ａが基準層パターン２４により発
生するピーク信号、２８ａがアルミニューム配線層の凹
凸等により発生するノイズ成分である。なお、図９
（ｂ）の信号に対してここでの検出信号のレベルが低下
しているのは、６４Ｍ、２５６Ｍ等、より高密度なＤＲ
ＡＭに対応するような段差の低いマークのものであるか
らである。

【００２２】さて、図１において、Ａ／Ｄ１５は、制御
装置２０により制御されてＣＣＤリニアセンサ１０，１
１の検出信号をデジタル化して制御装置２０に送出す
る。制御装置２０は、画像メモリ１６、デジタルシグナ
ルプロセッサ（ＤＳＰ）１７、フォーカスコントローラ
１８、ＭＰＵ１９、そしてメモリ２１等で構成され、バ
ス２２を介してＭＰＵ１９と画像メモリ１６、ＤＳＰ１
７、フォーカスコントローラ１８、メモリ２１等が相互
に接続されている。Ａ／Ｄ１５は、ＣＣＤリニアセンサ
１０，１１からの検出信号を受け、所定のサンプリング
周期でＡ／Ｄ変換したデータを画像メモリ１６に送出す
る。画像メモリ１６は、Ａ／Ｄ１５からのデータを順次
記憶する。

【００２３】ＤＳＰ１７は、ＭＰＵ１９に制御されて画
像メモリ１６のデジタルデータを受けてこれからずれ量
ΔＸ（ΔＹ）を高速に算出して、算出結果をＭＰＵ１９
に送出する。これは、ずれ量算出専用のプロセッサであ
る。なお、ΔＸは、図９で説明したＸ方向の間隔δαに
対応し、ΔＹは、図９で説明したＹ方向の間隔δαに対
応している。ＤＳＰ１７のずれ量ΔＸ（ΔＹ）の処理と
しては、前記の検出された各ピークの画素位置を検出
し、このピーク画素位置から図５で先に説明したよう
に、まず、Ｘ方向のＣＣＤリニアセンサ１０からの信号
をＡ／Ｄ１５から受けて基準層パターン２４の両ピーク
間の距離Ｌ′を計測して、その中心点ｍ₁の位置を求め
る。また、合わせ層パターン２５の両側のエッジに対す
るピークｐ_rが検出されて両ピーク間の距離ｄ′を計測
して、その中心点ｍ₂の位置を求め、両中心点ｍ₁とｍ₂
の間隔δαとして合わせ層マークパターン２５の位置の
Ｘ方向のずれ量ΔＸを算出する。次に、ＤＳＰ１７は、
Ｙ方向のＣＣＤリニアセンサ１１からの信号をＡ／Ｄ１
５から受けて同様な合わせ層マークパターン２５の位置
のずれ量ΔＹを算出する。このようにして算出したずれ
量ΔＸ（ΔＹ）をＭＰＵ１９にバス２２を介して送出す
る。

【００２４】フォーカスコントローラ１８は、ＭＰＵ１
９に制御されてＣＣＤリニアセンサ１０，１１、Ａ／Ｄ
１５、画像メモリ１６を制御し、画像メモリ１６からの
データを受けてＭＰＵ１９を介してＸＹＺ移動ステージ
８をＺ方向に移動させて焦点合わせを行う。メモリ２１
には、レジストレーション測定プログラム２１ａと位置
ずれ量判定プログラム２１ｂ等が設けられている。２３
は、制御装置２０からの制御信号に応じてＸＹＺ移動ス
テージ８をＸ，Ｙ，Ｚの方向に移動させる駆動信号をＸ
ＹＺ移動ステージ８に送出するステージ駆動回路であ
る。

【００２５】さて、前記のレジストレーション測定プロ
グラム２１ａは、ＭＰＵ１９がこれを実行することでＣ
ＣＤセンサから検出信号を取込む処理をして画像メモリ
１６に記憶された、Ａ／Ｄ変換されたパターンからの反
射光についての検出データ（検出信号の電圧値）を読出
して取込み、このデータに対して微分処理をしてウエハ
９に形成されたパターンのエッジ部分の信号（ここでは
一方のエッジからの反射光受光信号）に対応するピーク
を微分処理することにより求めて、フォーカスコントロ
ーラ１８を制御して最適なフォーカス状態に対物レンズ
１の距離を設定する。次に基準層パターン２４と合わせ
層マークパターン２５の検出信号を画像メモリ１６に取
込み、さらに反射光についてデータをＤＳＰ１７を駆動
して取込み、ずれ量ΔＸ（ΔＹ）を受けてメモリ２１の
所定領域に各チップの４隅の各ずれ量測定マークパター
ンＡ＝NO.1〜NO.4，…Ｅ＝NO.17〜NO.20（図４参照）対
応にそれぞれ記憶していく。そして、位置ずれ量判定プ
ログラム２１ｂをコールする。位置ずれ量判定プログラ
ム２１ｂは、ずれ量ΔＸ（ΔＹ）を所定の基準値と比較
して各ずれ量測定マークパターンNO.1〜NO.20における
合わせ層マークパターン２５ごとに位置ずれ量が規定の
範囲内にあるか否かの判定処理を行っていき、ずれ量と
判定結果とをディスプレイに表示する処理をする。

【００２６】図２（ａ）は、開口絞り５３の十字スリッ
トの形状の説明図である。ここでは、先に図６，図７で
説明したように、対物レンズの瞳径１ａとその瞳位置に
おける開口絞り５３の像の幅の比σについて、スリット
幅は、σ＝０．３以下に設定され、スリット長さは、σ
＝０．６以上に設定されている。例えば、両端の２つの
検出信号のピーク値をＸ方向に沿って得る場合（Ｘ軸の
ずれ量測定）では、Ｘ方向のσがσ＝０．６以上とな
り、Ｙ方向のσがσ＝０．３以下となる。これによりＸ
軸の検出信号のコントラストを向上させ、グレインによ
る基準レベルの変動を抑止することができる。また、両
端の２つの検出信号のピーク値をＹ方向に沿って得る場
合（Ｙ軸のずれ量測定）では、Ｙ方向のσがσ＝０．６
以上となり、Ｘ方向のσがσ＝０．３以下となる。これ
によりＹ軸の検出信号のコントラストを向上させ、グレ
インによる基準レベルの変動を抑止することができる。
これによりグレインの凹凸に影響を受け難いピーク信号
をＸ，Ｙそれぞれの方向で検出信号として得る。

【００２７】図２（ａ）に示す十字スリットは、これを
実現したものであって、そのスリット幅が８６μｍであ
り、Ｘ方向およびＹ方向のスリット長さが約１３００μ
ｍである。そして対物レンズ１の瞳径１ａ（図１，図２
参照）が１．４ｍｍである。計算上のσは、前記の幅と
長さと瞳径とから算出可能であり、Ｘ方向およびＹ方向
のピーク値の信号に対してパターンに沿った方向のσ値
はσ＝０．０６であり、２つのピーク値（Ｘ方向は、図
３（ｃ）のピーク信号２５ａ，２５ａに相当）が発生す
るパターンに直角な方向に沿ったσ値は、σ＝０．９３
である。したがって、この例では、検出信号を採取する
方向において、これに直交する方向の比σに対して平行
する方向の比σはほぼ１５倍程度になる。

【００２８】前記の条件における効果を説明するために
各種の実験を行ったが、その一例として、図２（ａ）に
示す十字スリットの効果について図５の表において説明
する。図５は、対物レンズの瞳径が１．４ｍｍにおい
て、前記のスリット幅８６μｍ、Ｘ方向およびＹ方向の
長さが１３００μｍの十字スリットと、従来の比σ＝
０．５のピンホールとを統計学上の３σを算出して計測
上のばらつきを比較したものである。なお、ピンホール
の場合には、ウエハに対するフォーカス位置を最適にし
た場合の測定値により算出されたものである。この点、
十字スリットの場合には、焦点深度が深くなり、フォー
カス位置が多少ずれても測定結果のばらつきがあまり影
響を受けないことが確認されている。

【００２９】この表に示されるように、同一ポイントの
３σは、ピンホールの場合に比べてばらつきが少なく、
安定した測定値が得られる。なお、同一ポイント法の３
σは、図４に示すＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅのチップについて
１ポイントごとにｎ回繰り返し測定し、ずれ量のばらつ
きを３σで表現した値である、ダイナミック法の３σ
は、各チップの４ポイントごとに、２回の測定を行い、
NO.1〜NO.20について、１回目の測定値−２回目の測定
値を算出して、全ポイントについて３σを算出すること
で求めたものである。

【００３０】先の限界値である比σ＝０．３以下と比σ
＝０．６以上については、スリット幅と長さの組合わせ
によるものであり、両者には相関関係がある。そこで、
ピンホールよりも良好な結果として実験により得た結果
が比σ＝０．３以下と比σ＝０．６以上である。すなわ
ち、２つのピーク値の信号を得る方向に沿ったσ値を比
σ＝０．３以下とし、２つのピーク値を得る方向と直角
方向のσ値を比σ＝０．６以上とする条件としたもので
ある。ただし、実験結果によれば、好ましい実施例とし
ては、２つのピーク信号を得る方向に対してこれと直角
方向のσ値が比σ＝０．１以下がよい。

【００３１】図２（ｂ）は、十字スリットに換えて、比
σ＝０．３以下の点光源を２つのピーク値が発生する方
向に直角配列して実質的にこの方向のσ値を０．６以上
に設定した開口絞り５２の例である。なお、いずれの場
合も十字スリットの重心位置は、瞳の中心に一致させる
ことが重要である。先に説明したように、瞳の中心に対
してスリットの重心が一致していない場合は、照明光の
平均的な照射角度がウエハ面に対して垂直とならないた
めに、波形の対称性がくずれて正確な測定値を得ること
ができなくなるからである。

【００３２】以上説明してきたが、実施例では、Ｘ方向
とＹ方向のスリット幅は、同一のものとして説明してい
るが、比σ＝０．３以下という条件を満たす限り、両者
の幅は異なっていてもよい。ところで、この発明では、
パターンエッジに対しては、σの値が小さいほど、高い
コントラストが得られ、グレインからの影響は、σを大
きく採ればよいので、スリット幅を小さく採り、かつ、
スリット長さを大きくすれは、デフォーカス状態でパタ
ーンエッジについて良好な検出信号を得ることができ、
このときにはグレインからの検出信号はさらに抑制され
て、その影響をより抑えることが可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したようなこの発明によれば、
比σについて十字スリットが対物レンズの瞳径に対する
映像との比σにおいてσ＝０．３以下に設定されるスリ
ットの幅とσ＝０．６以上に設定されるスリット長さを
持つように選択されているので、パターンに直角な方
向、言い換えれば、複数の形成パターンに跨る方向では
σ＝０．６より大きな横長スリットとなり、パターンに
沿った方向、言い換えれば、各パターンの方向に対応す
るパターンの検出方向ではσ＝０．３以下になる縦長ス
リットとなり、パターン検出方向に対する検出信号のコ
ントラストを向上させると同時に、パターンに直角な複
数のパターンの信号を同時に得る距離に亙る検出方向に
沿ってσがσ＝０．６より大きくなっていることでグレ
インの凹凸のコントラストを低下させることができる。
これによりグレインによる検出信号のノイズレベルを抑
制することができる。その結果、良好なピーク値を持つ
検出信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の位置ずれ量測定装置を適用
した一実施例のレジストレーション測定装置の説明図で
ある。

【図２】図２は、そのスリットの形状の説明図であり、
（ａ）は、その十字スリット、（ｂ）は、その他スリッ
トの変形例の説明図である。

【図３】図３は、ずれ量測定マークパターンと検出波形
の説明図であって、（ａ）は、その矩形枠の形態の説明
図、（ｂ）は、その断面図であり、（ｃ）は、その検出
信号波形である。

【図４】図４は、ずれ量測定マークパターンが形成され
たウエハ上のチップ位置の説明図である。

【図５】図５は、本願発明における十字スリットとピン
ホールとのばらつき量の説明図である。

【図６】図６は、十字スリットとレジストレーションマ
ークパターンとの関係の説明図であって、（ａ）は、十
字スリットと検出信号との関係の説明図、（ｂ）は、そ
のパターンに沿った方向の縦長スリットと検出信号との
関係の説明図、（ｃ）は、そのパターンに直角な方向の
横長スリットと検出信号との関係の説明図である。

【図７】図７は、グレインからの反射状態と十字スリッ
トとの関係の説明図である。

【図８】図８は、十字スリットの幅と長さとの関係にお
けるＣＣＤの検出信号についての説明図であって、
（ａ）は、十字スリットの幅と長さの関係を示す図、
（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ幅と長さを変えた場合のＣ
ＣＤの検出信号の状態を示す図である。

【図９】図９は、位置ずれ量を測定するために設けられ
たずれ量測定マークパターンの１つについてあるプロセ
スにおける、ウエハのＸ方向またはＹ方向の断面の一例
の説明図であり、（ａ）は、マークパターンの断面図、
（ｂ）は、その検出信号の波形図である。

【符号の説明】

１…対物レンズ、２…ハーフミラー、１ａ…対物レンズ
の瞳３…リレーレンズ、４…ハーフミラー、５，６…シリン
ドリカルレンズ、５０…照明光学系、７…ウエハチャッ
ク、８…ＸＹＺ移動ステージ、９…ウエハ、１０，１１
…ＣＣＤリニアセンサ、１４…ＣＣＤ駆動回路、１５…
Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）、１６…画像メモリ、１７…
高速数値演算プロセッサ（ＤＳＰ）、１８…フォーカス
コントローラ、１９…ＭＰＵ、２０…制御装置、２１…
メモリ、２２…バス、２１ａ…レジストレーション測定
プログラム、２１ｂ…位置ずれ量判定プログラム、２３
…ステージ駆動回路、５０…照明光学系、５１…光源、
５２…集光レンズ系、５３…開口絞り、５４…リレーレ
ンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】落射照明光学系の対物レンズを介して試料
に落射照明を行い、前記対物レンズを介して所定距離離
れて前記試料に形成された複数のパターンからの反射光
を受光して得られる検出信号に基づいて位置ずれ量を測
定する位置ずれ量測定装置において、光源からの照射光を十字スリットを有する開口絞りを介
して前記対物レンズに導入して前記試料に落射照明を行
う前記落射照明光学系を有し、前記十字スリットは、前
記対物レンズの瞳位置において十字の一方のスリットが
前記パターンに沿った方向の映像になり、前記十字の他
方のスリットが前記パターンと直角な方向の映像になる
ものであって、前記対物レンズの瞳径に対する前記映像
との比σにおいてσ＝０．３以下に設定されるスリット
の幅とσ＝０．６以上に設定されるスリット長さを持つ
ように選択され、前記複数のパターンと直角な方向に配
列された受光素子により前記検出信号を得る位置ずれ量
測定装置。
【請求項２】前記試料はウエハであり、前記スリット幅
は、σ＝０．１以下であり、前記十字スリットの重心が
前記瞳位置の中心になるように設定され、前記複数のパ
ターンは、前記ウエハ上に形成されたレジストレーショ
ン測定用のマークパターンであり、受光素子は、リニア
イメージセンサである請求項１記載の位置ずれ量測定装
置。
【請求項３】複数のパターンは、前記受光素子の配列方
向に直角な辺と平行な辺をもつ矩形のパターンであり、
前記直角な辺の方向と前記平行な辺の方向の２方向にお
ける位置ずれ量が測定される請求項１記載の位置ずれ量
測定装置。