KR20030040033A - 마크위치 검출장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계에 왜곡수차가 잔존하고 있어도 마크의 위치를 정확히 검출할 수 있는 마크위치 검출장치를 제공한다.
(해결수단) 기판 (11) 상의 피검 마크 (30) 를 조명하는 조명수단 (13∼19), 피검 마크로부터의 광 (L2) 을 결상하여 피검 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계 (19∼24), 결상광학계의 일부 광학소자 (20) 를 광축 (O2) 에 수직인 X 축, Y 축을 중심으로 하여 틸트 가능하게 지지하는 광학소자 지지수단 (20a), 결상광학계에 의해 형성된 피검 마크의 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단 (25) 및, 촬상수단으로부터 화상신호를 입력하여 피검 마크의 위치를 산출하는 산출수단 (26) 을 구비한다.

Description

마크위치 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING MARK POSITION}
본 발명은 기판 상의 피검 마크의 위치를 검출하는 마크위치 검출장치에 관한 것으로, 특히 반도체소자 등의 제조공정에서 고정밀도로 위치 검출하기에 적합한 마크위치 검출장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 반도체소자나 액정표시장치의 제조공정에서는 마스크 (레티클) 에 형성된 회로 패턴을 레지스트막에 전사하는 노광공정과 레지스트막의 노광부분 또는 미노광부분을 용해시키는 현상공정을 거쳐, 레지스트막에 회로 패턴 (레지스트 패턴) 이 전사되고, 이 레지스트 패턴을 마스크로 하여 에칭이나 증착 등을 실행함으로써 (가공공정), 레지스트막 바로 아래에 인접하고 있는 소정의 재료막에 회로 패턴이 전사된다 (패턴 형성공정).
이어서, 상기 소정의 재료막에 형성된 회로 패턴 상에 다른 회로 패턴을 형성하기 위해서는 동일한 패턴 형성공정이 반복된다. 패턴 형성공정을 몇번이나 반복 실행함으로써, 다양한 재료막의 회로 패턴이 기판 (반도체 웨이퍼나 액정 기판) 상에 적층되어 반도체소자나 액정표시소자의 회로가 형성된다.
그런데, 상기 제조공정에서는 다양한 재료막의 회로 패턴을 고정밀도로 중첩시키기 위하여 각각의 패턴 형성공정 중 노광공정 전에 마스크와 기판의 얼라인먼트를 실시하고, 또 현상공정 이후와 가공공정 이전에 기판 상의 레지스트 패턴의 중첩상태를 검사하여 제품의 수율 향상을 도모하고 있다.
덧붙여 말하면, 마스크와 기판의 얼라인먼트 (노광공정 전) 는, 마스크 상의 회로 패턴과 하나 전의 패턴 형성공정에서 기판 상에 형성된 회로 패턴의 얼라인먼트로서, 각각의 회로 패턴의 기준위치를 나타내는 마크를 이용하여 실시된다.
또, 기판 상의 레지스트 패턴의 중첩상태의 검사 (가공공정 전) 는, 하나 전의 패턴 형성공정에서 형성된 회로 패턴 (이하, 「하지 패턴」이라 함) 에 대한 레지스트 패턴의 중첩검사로서, 하지 패턴 및 레지스트 패턴의 각각의 기준위치를 나타내는 마크를 이용하여 실행된다.
그리고, 상기 얼라인먼트나 중첩검사를 위한 마크의 위치 검출은 CCD 카메라 등의 촬상소자를 사용하여 마크의 이미지를 촬상하여 얻은 화상신호에 대하여 화상처리를 실시함으로써 이루어진다.
그러나, 상기 종래의 마크위치 검출장치에서는, 촬상소자의 촬상면 상에 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계는 왜곡수차 (디스토션) 을 갖고 있어 마크의위치를 정확히 검출할 수 없는 요인이 되지만, 이 왜곡수차를 완전하게 제거하기는 어려웠다.
본 발명의 목적은 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계에 왜곡수차가 잔존하고 있어도 마크의 위치를 정확히 검출할 수 있는 마크위치 검출장치를 제공하는 것이다.
도 1 은 중첩측정장치 (10) 의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2(a) 는 웨이퍼 (11) 에 형성된 중첩마크 (30) 의 평면도이고, 도 2(b) 는 그 단면도이다.
도 3(a) 는 웨이퍼 (11) 에 형성된 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 의 평면도이고, 도 3(b) 는 그 단면도이다.
도 4 는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차에 의한 이미지의 위치 편차량을 나타내는 모식도이다.
도 5 는 TIS 값의 측정방법을 설명하는 도면이다.
도 6 은 중첩측정장치 (10) 에서 중첩상태 검사 전에 실시되는 광학계의 조정순서를 나타내는 흐름도이다.
도 7 은 QZ 법에 의한 광학계의 미세 조정방법을 설명하는 도면이다.
도 8 은 중첩측정장치 (100) 의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
10 : 중첩측정장치11 : 웨이퍼
12 : 검사 스테이지13 : 광원
14 : 조명 개구 조리개15 : 콘덴서 렌즈
16 : 시야 조리개17 : 조명 릴레이 렌즈
18 : 하프 프리즘19 : 제 1 대물렌즈
20, 21 : 제 2 대물렌즈22 : 제 1 결상 릴레이 렌즈
23 : 결상 개구 조리개24 : 제 2 결상 릴레이 렌즈
25 : CCD 촬상소자26 : 화상처리장치
27 : 제어장치30 : 중첩마크
33 : 라인 앤드 스페이스 마크
청구항 1 에 기재된 마크위치 검출장치는 기판 상의 피검 마크를 조명하는 조명수단, 상기 피검 마크로부터의 광을 결상하여 상기 피검 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계, 상기 결상광학계의 일부 광학소자를 상기 결상광학계의 광축에 수직인 축을 중심으로 하여 틸트 가능하게 지지하는 광학소자 지지수단, 상기 결상광학계에 의해 형성된 상기 피검 마크의 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단 및, 상기 촬상수단으로부터 화상신호를 입력하여 상기 피검 마크의 위치를 산출하는 산출수단을 구비한 것이다.
청구항 2 에 기재된 발명은 청구항 1 에 기재된 마크위치 검출장치에 있어서, 상기 촬상수단으로부터 상기 화상신호를 입력하여 상기 결상광학계의 왜곡수차의 분포상태를 측정하는 측정수단과 상기 측정수단에 의한 측정결과에 따라 상기 광학소자 지지수단을 제어하여 상기 일부 광학소자의 틸트상태를 조정하는 제어수단을 구비한 것이다.
청구항 3 에 기재된 발명은 청구항 2 에 기재된 마크위치 검출장치에 있어서, 상기 광축을 중심으로 하여 상기 기판을 회전 가능하게 지지하는 기판지지수단을 구비하고, 상기 측정수단은 상기 기판지지수단을 제어하여 상기 기판의 회전상태를 조정하고, 상기 기판을 180 도 회전시키는 전후 상태에서 상기 촬상수단을 통해 상기 화상신호를 각각 입력하여 상기 왜곡수차의 분포상태를 측정하는 것이다.
청구항 4 에 기재된 발명은 청구항 2 또는 청구항 3 에 기재된 마크위치 검출장치에 있어서, 상기 제어수단은 당해 장치의 시야 중심에 대하여 상기 왜곡수차의 분포상태가 대칭이 되도록 상기 일부 광학소자의 틸트상태를 조정하는 것이다.
청구항 5 에 기재된 발명은 청구항 2∼청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 마크위치 검출장치에 있어서, 상기 광학소자 지지수단은 상기 결상광학계의 다른 일부 광학소자를 상기 광축에 수직인 축을 따라 시프트 가능하게 지지하고, 상기 제어수단은 상기 일부 광학소자의 틸트상태를 조정한 후, 상기 다른 일부 광학소자를 시프트시켜 상기 결상광학계의 코마수차를 보정하는 것이다.
발명의 실시형태
다음에, 도면을 이용하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
본 발명의 실시형태는 청구항 1∼청구항 5 에 대응한다.
여기에서는 본 실시형태의 마크위치 검출장치에 대해서 도 1 에 나타내는 중첩측정장치 (10) 를 예로 설명한다.
중첩측정장치 (10) 는 도 1(a) 에 나타내는 바와 같이, 피검 물체인 웨이퍼 (11 ; 기판) 를 지지하는 검사 스테이지 (12), 검사 스테이지 (12) 상의 웨이퍼 (11) 에 대한 조명광 (L1) 을 사출하는 조명광학계 (13∼18), 조명광 (L1) 에 의해 조명된 웨이퍼 (11) 의 이미지를 형성하는 결상광학계 (19∼24), CCD 촬상소자(25), 화상처리장치 (26) 및, 제어장치 (27) 로 구성되어 있다.
이 중첩측정장치 (10) 에 대해서 구체적으로 설명하기 전에 피검 물체인 웨이퍼 (11) 를 설명한다.
웨이퍼 (11) 에는 복수 회로 패턴(모두 도시 생략)이 표면 상에 적층되어 있다. 최상층의 회로 패턴은 레지스트막에 전사된 레지스트 패턴이다. 즉, 웨이퍼 (11) 는 하나 전의 패턴 형성공정에서 형성된 하지 패턴 상에 다른 회로 패턴을 형성하는 공정 도중 (레지스트막에 대한 노광ㆍ현상 다음에 그리고 재료막에 대한 에칭 가공 전) 상태에 있다.
그리고, 웨이퍼 (11) 의 하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태가 중첩측정장치 (10) 에 의해 검사된다. 그래서, 웨이퍼 (11) 에는 중첩상태의 검사에 사용되는 중첩마크 (30 ; 도 2) 가 형성되어 있다. 도 2(a)는 중첩마크 (30) 의 평면도, 도 2(b) 는 그 단면도이다.
중첩마크 (30) 는 도 2(a), 2(b) 에 나타내는 바와 같이 크기가 다른 직사각형의 하지 마크 (31) 와 레지스트 마크 (32) 로 이루어진다. 하지 마크 (31) 는 하지 패턴과 동시에 형성되고 하지 패턴의 기준 위치를 나타낸다. 레지스트 마크 (32) 는 레지스트 패턴과 동시에 형성되고 레지스트 패턴의 기준 위치를 나타낸다. 하지 마크 (31), 레지스트 마크 (32) 는 각각 청구항의 「피검 마크」에 대응한다.
또, 도시되어 있지 않지만 레지스트 마크 (32) 및 레지스트 패턴과 하지 마크 (31) 및 하지 패턴 사이에는 가공 대상이 되는 재료막이 형성되어 있다. 이재료막은 중첩측정장치 (10) 에 의한 중첩상태를 검사한 후, 레지스트 마크 (32) 가 하지 마크 (31) 에 대하여 정확히 중첩되고, 레지스트 패턴이 하지 패턴에 대하여 정확히 중첩되어 있는 경우에 레지스트 패턴을 통해 실제로 가공된다.
또, 상기 중첩마크 (30) 는 중첩측정장치 (10) 를 구성하는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차 조정에도 사용된다. 상세한 내용은 후술하지만, 중첩마크 (30) 를 사용한 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차 조정은 중첩측정장치 (10) 에 의한 중첩상태 검사 전에 이루어진다.
또한, 웨이퍼 (11) 에는 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 가 형성되어 있다. 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 는 도 3(a), 3(b) 에 나타내는 바와 같이 선폭이 3㎛, 피치가 6㎛, 단차가 85㎚ (측정 파장 λ의 1/8 정도) 이다. 도 3(a) 는 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 의 평면도, 도 3(b) 는 그 단면도이다.
이 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 는 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 의 미세 조정에 사용된다. 상세한 내용은 후술하지만, 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 를 사용한 미세 조정은 상기 중첩마크 (30) 를 사용한 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차를 조정한 후에 중첩측정장치 (10) 에 의한 중첩상태를 검사하기 전 단계에서 필요에 따라 이루어진다.
다음에, 중첩측정장치 (10 ; 도 1)의 구체적인 구성을 설명한다.
중첩측정장치 (10) 의 검사 스테이지 (12) 는 웨이퍼 (11) 를 수평상태로 유지하면서 지지하는 동시에, 웨이퍼 (11) 를 수평방향 (XY 방향), 연직방향 (Z 방향), 회전방향 (θ방향) 으로 이동시킨다. 검사 스테이지 (12) 및 웨이퍼 (11)의 회전은 결상광학계 (19∼24) 의 광축 (O2) 을 중심으로 이루어진다. 광축 (O2) 은 Z 방향에 평행이다. 검사 스테이지 (12) 는 청구항의 「기판 지지수단」에 대응한다.
조명광학계 (13∼18) 는 광축 (O1) 을 따라 순서대로 배치된 광원 (13), 조명 개구 조리개 (14), 콘덴서 렌즈 (15), 시야 조리개 (16), 조명 릴레이 렌즈 (17) 및 하프 프리즘 (18) 으로 구성되어 있다. 하프 프리즘 (18) 은 반사투과면 (18a) 이 광축 (O1) 에 대하여 약 45°경사지고, 결상광학계 (19∼24) 의 광축 (O2) 상에도 배치되어 있다. 조명광학계 (13∼18) 의 광축 (O1) 은 결상광학계 (19∼24) 의 광축 (O2) 에 수직이다.
또, 조명광학계 (13∼18) 의 광원 (13) 은 백색광을 사출한다. 조명 개구 조리개 (14) 는 광원 (13) 에서 사출된 광의 직경을 특정 직경으로 제한한다. 이 조명 개구 조리개 (14) 는 광축 (O1) 에 대하여 시프트 가능하게 지지되고 있다. 조명 개구 조리개 (14) 의 시프트 상태의 조정은 상기 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 를 이용하여 실시되고, 결과적으로 조명광학계 (13∼18) 가 미세 조정된다.
콘덴서 렌즈 (15) 는 조명 개구 조리개 (14) 로부터의 광을 집광한다. 시야 조리개 (16) 는 중첩측정장치 (10) 의 시야를 제한하는 광학소자로, 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이 직사각형 개구인 하나의 슬릿 (16a) 을 갖는다. 조명 릴레이 렌즈 (17) 는 시야 조리개 (16) 의 슬릿 (16a) 으로부터의 광을 콜리메이트한다. 하프 프리즘 (18) 은 조명 릴레이 렌즈 (17) 로부터의 광을 반사시켜 결상광학계 (19∼24) 의 광축 (O2) 상으로 안내한다 (조명광 (L1)).
결상광학계 (19∼24) 는 광축 (O2) 을 따라 순서대로 배치된 제 1 대물렌즈 (19), 제 2 대물렌즈 (20,21), 제 1 결상 릴레이 렌즈 (22), 결상 개구 조리개 (23) 및 제 2 결상 릴레이 렌즈 (24) 로 구성되어 있다. 제 1 대물렌즈 (19) 와 제 2 대물렌즈 (20,21) 사이에는 상기 하프 프리즘 (18) 이 배치되어 있다.
제 1 대물렌즈 (19) 는 하프 프리즘 (18) 로부터의 조명광 (L1) 을 웨이퍼 (11) 상에 집광하는 동시에, 웨이퍼 (11) 로부터 발생된 광 (반사광 (L2)) 을 콜리메이트한다. 상기 하프 프리즘 (18) 은 제 1 대물렌즈 (19) 로부터의 광을 투과시킨다. 제 2 대물렌즈 (20,21) 는 하프 프리즘 (18) 으로부터의 광을 1 차 결상면 (10a) 상에 결상시킨다.
또, 제 2 대물렌즈 (20,21) 는 제 1 군 (20) 과 제 2 군 (21) 의 2 군 구성이다. 제 1 군 (20) 을 지지하는 지지부재 (20a) 와 제 2 군 (21) 을 지지하는 지지부재 (21a) 는 청구항의 「광학소자 지지수단」에 대응한다.
제 2 대물렌즈의 제 1 군 (20) 은 소정의 파워를 갖는 렌즈계로, 광축 (O2) 에 수직인 X 축 및 Y 축을 중심으로 하여 틸트 가능하게 지지되고 있다. 틸트 가능이란 제 1 군 (20) 자체의 광축을 결상광학계 (19∼24) 의 광축 (O2) 에 대하여 경사 가능함을 의미한다.
제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21) 은 파워를 갖지 않는 어포컬계(afocal system)로, 광축 (O2) 에 수직인 축을 따라 XY 면 내에서 시프트 가능하게 지지되고 있다. 시프트 가능이란 제 2 군 (21) 자체의 광축을 결상광학계 (19∼24)의 광축 (O2) 에 대하여 경사시키지 않고 평행 이동 가능함을 의미한다.
제 1 군 (20) 의 틸트 상태의 조정은 상기 중첩마크 (30 : 도 2) 를 이용하여 이루어지고, 결과적으로 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차가 조정된다. 또, 제 2 군 (21) 의 시프트 상태의 조정은 상기 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 를 이용하여 이루어지고, 결과적으로 결상광학계 (19∼24) 가 미세 조정된다. 제 1 군 (20) 은 청구항의 「결상광학계의 일부 광학소자」에 대응한다. 제 2 군 (21) 은 「결상광학계의 다른 일부 광학소자」에 대응한다.
제 1 결상 릴레이 렌즈 (22) 는 제 2 대물렌즈 (20,21) 로부터의 광을 콜리메이트한다. 결상 개구 조리개 (23) 는 제 1 결상 릴레이 렌즈 (22) 로부터의 광의 직경을 특정 직경으로 제한한다. 이 결상 개구 조리개 (23) 는 광축 (O2) 에 대하여 시프트 가능하게 지지되고 있다. 결상 개구 조리개 (23) 의 시프트 상태의 조정은 상기 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 를 이용하여 이루어지고, 결과적으로 결상광학계 (19∼24) 가 미세 조정된다. 제 2 결상 릴레이 렌즈 (24) 는 결상 개구 조리개 (23) 로부터의 광을 CCD 촬상소자 (25) 의 촬상면 (2 차 결상면) 상에 다시 결상시킨다.
이와 같이 구성된 조명광학계 (13∼18) 와 결상광학계 (19∼24) 에서 광원 (13) 으로부터 사출된 광은 조명 개구 조리개 (14) 와 콘덴서 렌즈 (15) 를 통해 시야 조리개 (16) 를 균일하게 조명한다. 그리고, 시야 조리개 (16) 의 슬릿 (16a) 을 통과한 광은 조명 릴레이 렌즈 (17) 와 하프 프리즘 (18) 을 통해 제 1 대물렌즈 (19) 로 안내되고, 제 1 대물렌즈 (19) 를 투과하여 광축 (O2) 에 거의평행한 조명광 (L1) 이 된다. 조명광 (L1) 은 검사 스테이지 (12) 상의 웨이퍼 (11) 를 거의 수직으로 조명한다.
웨이퍼 (11) 에 입사되는 조명광 (L1) 의 입사각도 범위는 제 1 대물렌즈 (19) 의 동공에 공액 면에 배치된 조명 개구 조리개 (14) 의 조리개 직경에 따라 결정된다. 또, 시야 조리개 (16) 와 웨이퍼 (11) 는 공액 위치 관계에 있기 때문에, 웨이퍼 (11) 표면 중 시야 조리개 (16) 의 슬릿 (16a) 에 대응하는 영역이 균일하게 조명된다. 즉, 웨이퍼 (11) 표면에는 슬릿 (16a) 의 이미지가 투영된다.
그리고, 조명광 (L1) 이 조사된 웨이퍼 (11) 로부터의 반사광 (L2) 은 제 1 대물렌즈 (19) 와 하프 프리즘 (18) 을 통해 제 2 대물렌즈 (20,21) 로 안내되고, 제 2 대물렌즈 (20,21) 에 의해 1 차 결상면 (10a) 에 결상된다. 또, 제 2 대물렌즈 (20,21) 로부터의 광은 제 1 결상 릴레이 렌즈 (22) 와 결상 개구 조리개 (23) 를 통해 제 2 결상 릴레이 렌즈 (24) 로 안내되고, 제 2 결상 릴레이 렌즈 (24) 에 의해 CCD 촬상소자 (25) 의 촬상면 상에 다시 결상된다. CCD 촬상소자 (25) 는 복수 화소가 2 차원 배열된 에어리어 센서이다.
또, 조명광학계 (13∼18) 및 제 1 대물렌즈 (19) 는 청구항의 「조명수단」에 대응한다. 또한, 결상광학계 (19∼24) 는 청구항의 「결상광학계」에 대응한다. CCD 촬상소자 (25) 는 「촬상수단」에 대응한다.
여기에서, 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에 웨이퍼 (11) 상의 중첩마크 (30 : 도 2) 가 위치 결정되면, 이 중첩마크 (30) 가 조명광 (L1) 에 의해 조명되어 CCD 촬상소자 (25) 의 촬상면 상에는 중첩마크 (30) 의 이미지가 형성된다. 이 때 CCD 촬상소자 (25) 는 중첩마크 (30) 의 이미지를 촬상하여 이 이미지의 광 강도 (밝기) 에 따른 화상신호를 화상처리장치 (26) 로 출력한다.
또한, 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에 웨이퍼 (11) 상의 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 가 위치 결정되면, 이 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 가 조명광 (L1) 에 의해 조명되어 CCD 촬상소자 (25) 의 촬상면 상에는 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 의 이미지가 형성된다. 이 때 CCD 촬상소자 (25) 는 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 의 이미지를 촬상하여 이 이미지의 광 강도에 따른 화상신호를 화상처리장치 (26) 로 출력한다.
화상처리장치 (26) 는 중첩마크 (30 : 도 2) 의 이미지에 관련된 화상신호를 CCD 촬상소자 (25) 를 통해 입력하면, 화상에 나타난 복수 에지를 추출하여 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 및 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2) 를 각각 산출한다. 에지란 화상신호의 강도가 급격히 변화하는 부분이다. 화상처리장치 (26) 는 청구항의 「산출수단」에 대응한다.
또한, 화상처리장치 (26) 는 웨이퍼 (11) 의 하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태를 검사할 때에, 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 와 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2) 의 차이에 따라 중첩 편차량 (R) 을 산출한다. 중첩 편차량 (R) 은 웨이퍼 (11) 표면의 2 차원 벡터로 표시된다.
또, 화상처리장치 (26) 는 중첩 편차량 (R) 을 산출하기 전에 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 와 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2) 에 따라 중첩측정장치 (10) 의 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차의 분포 상태를 측정한다 (상세한 내용은 후술함). 화상처리장치 (26) 는 청구항의 「측정수단」에 대응한다.
한편, 화상처리장치 (26) 는 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 의 이미지에 관련된 화상신호를 CCD 촬상소자 (25) 를 통해 입력하면, 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 를 미세 조정하기 위한 지표로 하여 후술하는 Q 값의 포커스 특성 (도 7(b) 참조) 을 측정한다.
구성 설명의 마지막으로 제어장치 (27) 에 대해서 설명한다. 제어장치 (27) 는 청구항 「제어수단」에 대응한다.
제어장치 (27) 는 웨이퍼 (11) 의 하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태를 검사할 때에, 검사 스테이지 (12) 및 웨이퍼 (11) 를 XY 방향으로 이동 제어하여 웨이퍼 (11) 상의 중첩마크 (30 : 도 2) 를 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에 위치 결정한다.
또, 제어장치 (27) 는 중첩측정장치 (10) 의 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차를 조정할 때에, 상기와 마찬가지로 중첩마크 (30 : 도 2) 를 시야 중심에 위치 결정하는 동시에, 검사 스테이지 (12) 및 웨이퍼 (11) 를 θ방향으로 회전 제어하여 화상처리장치 (26) 에 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차의 분포상태를 측정시킨다. 그리고, 화상처리장치 (26) 에 의해 측정된 왜곡수차의 분포상태에 따라 제 2 대물렌즈 (20,21) 의 지지부재 (20a) 를 제어하여 제 1 군 (20) 의 틸트상태를 조정한다.
또한, 제어장치 (27) 는 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 를 미세 조정할 때에, 검사 스테이지 (12) 및 웨이퍼 (11) 를 XY 방향으로 이동 제어하여 웨이퍼 (11) 상의 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 를 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에 위치 결정한다. 그리고, 검사 스테이지 (12) 및 웨이퍼 (11) 를 Z 방향으로 이동 제어하면서 화상처리장치 (26) 에 Q 값 (도 7 참조) 을 측정하게 하고, 필요에 따라 제 2 대물렌즈 (20,21) 의 지지부재 (21a) 를 제어하여 제 2 군 (21) 의 시프트 상태를 조정한다. 또, 조명 개구 조리개 (14) 나 결상 개구 조리개 (23) 의 시프트 상태도 필요에 따라 조정한다.
다음에, 상기와 같이 구성된 중첩측정장치 (10) 의 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차 조정과 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 의 미세 조정에 대해서 순서대로 설명한다.
일반적으로 결상광학계 (19∼24) 에는 왜곡수차가 있다. 그리고, 이 왜곡수차가 원인이 되어 CCD 촬상소자 (25) 의 촬상면 상에 형성된 이미지는 변형된다. 왜곡수차에 의한 이미지의 위치 편차량(Δ)은 다음 식 (1) 로 나타내는 바와 같이 이미지 높이 (y) 의 세제곱에 비례하여 증대한다. y0은 이미지 높이 (y) 의 임의의 지점, D0은 y = y0에서의 왜곡수차를 나타낸다.
Δ= (D0/y0 2) ×y3…(1)
또, 일반적으로 결상광학계 (19∼24) 의 배치에는 조립할 때의 제조 오차 (편심 오차) 가 포함되어 있다. 따라서, 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차는 시야 중심에 대하여 비대칭으로 분포하게 된다. 이 때 왜곡수차에 의한 이미지의위치 편차량 (Δ) 도 도 4(a) 의 곡선 b 에 나타내는 바와 같이 시야 중심에 대하여 비대칭으로 분포되어 있다.
이와 같이 이미지의 위치 편차량 (Δ) 이 시야 중심에 대하여 비대칭으로 분포되어 있으면, 예컨대 중첩마크 (30 : 도 2) 를 시야 중심에 위치 결정한 경우, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이 직사각형 마크 (하지 마크 (31) 또는 레지스트 마크 (32)) 의 화상의 좌측 에지 (34) 와 우측 에지 (35) 에서 위치 편차량 (도면에서 화살표시의 크기로 나타냄) 에 차이가 생긴다.
그리고, 이 위치 편차량의 차이가 그대로 직사각형 마크의 중심위치 (C : 도 2 에 나타내는 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 및 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2)) 의 산출 결과에 반영되고, 결과적으로 상기 중첩 편차량 (R) 이 부정확해진다.
반면에, 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차를 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포시킬 수 있다면 이 왜곡수차에 의한 이미지의 위치 편차량 (Δ) 도 도 4(a) 의 곡선 a 에 나타내는 바와 같이 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포되어 있다.
그리고, 예컨대 중첩마크 (30 : 도 2) 를 시야 중심에 위치 결정한 경우, 도 4(c) 에 나타내는 바와 같이 직사각형 마크 (하지 마크 (31) 또는 레지스트 마크 (32) 의 화상의 좌측 에지 (34) 와 우측 에지 (35) 에서 위치 편차량 (도면에서 화살표시의 크기로 나타냄) 이 동등해진다.
따라서, 좌측 에지 (34) 의 위치 편차량과 우측 에지 (35) 의 위치 편차량은 직사각형 마크의 중심위치 (C : 도 2 에 나타내는 하지 마크 (31) 의 중심위치(C1) 및 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2)) 를 산출할 때에 상쇄되고, 결과적으로 상기 중첩 편차량 (R) 을 정확히 구할 수 있다.
본 실시형태에서는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차를 조정하여 이 왜곡수차를 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포시키고, 결과적으로 왜곡수차에 의한 이미지의 위치 편차량 (Δ) 을 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포시키기 (도 4(a) 의 곡선 b →곡선 a) 위해서, 제 2 대물렌즈 (20,21) 의 제 1 군 (20) 을 X 축 및 Y 축 주위에 틸트 가능하게 하였다. 제 1 군 (20) 을 틸트 조정함으로써 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차의 분포상태를 바꿀 수 있기 때문이다.
또, 본 실시형태에서는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차가 시야 중심에 대하여 비대칭으로 분포되어 있는지, 대칭으로 분포되어 있는지를 판단하는 지표로 하여 후술하는 TIS (Tool Induced Shift) 값을 사용한다. TIS 값은 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차가 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포되어 있을 때에 0 이 되고, 비대칭으로 분포되어 있을 때에 임의의 값 (≠0) 을 갖는다. 또한, 왜곡수차의 분포상태의 비대칭성이 커질수록 TIS 값도 커진다.
여기에서, TIS 값의 측정방법에 대해서 간단히 설명해 둔다. TIS 값 측정시 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에는 웨이퍼 (11) 상의 중첩마크 (30 : 도 2) 가 위치 결정된다. 그리고, 제어장치 (27) 는 웨이퍼 (11) 를 광축 (O2) 주위에 180도 회전시키는 전후 상태 (도 5(a), 5(b)) 에서 화상처리장치 (26) 로 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 와 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2) 를 각각 산출시킨다.
화상처리장치 (26) 에서는 도 5(a) 상태에서 산출한 중심위치 (C1,C2) 에 따라 중심위치 (C1) 를 기점으로 하여 0 도 방향의 중첩 편차량 (R0) 을 산출하고, 동일하게 도 5(b) 상태에서 산출한 중심위치 (C1,C2) 에 따라 중심위치 (C1) 를 기점으로 하여 180 도 방향의 중첩 편차량 (R180) 을 산출한다. 그리고, 다음 식 (2) 에 따라 TIS 값을 측정한다.
TIS 값 = (R0+ R180)/2…(2)
TIS 값을 지표로 하여 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차의 분포상태를 판단하여, 그 판단 결과에 따라 제 2 대물렌즈 (20,21) 의 제 1 군 (20) 을 틸트 조정한다. 최종적으로 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차를 시야 중심으로 대칭인 분포상태로 하기 위한 순서는 대략 도 6 의 단계 S1∼S3 에 나타내는 바와 같다.
또, 도 6 의 단계 S1∼S3 처리는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차 조정처리로서, 다음 단계 S4 처리는 나중에 설명하는 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 의 미세 조정처리이다.
도 6 의 단계 S1에서 제어장치 (27) 는 화상처리장치 (26) 에 의해 측정된 TIS 값을 취득하고, 다음 단계 S2에서 이미 정한 임계값과 비교한다. 임계값은 충분히 작은 값을 나타내고 있다.
그리고, 측정된 TIS 값이 임계값보다 큰 경우에는 (S2 가 N), 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차가 시야 중심에 대하여 비대칭으로 분포되어 있기 때문에, 다음 단계 S3 에서 제 2 대물렌즈 (20,21) 의 제 1 군 (20) 을 틸트 조정하여 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차의 분포상태를 조금 변경한다. 또한, 제 1 군 (20) 을 틸트 조정한 후 다시 단계 S1, S2 처리를 한다.
이와 같이 해서 제어장치 (27) 는 측정된 TIS 값이 임계값보다 작아질 때까지 단계 S1∼S3 처리를 반복한다. 그리고, 측정된 TIS 값이 임계값보다 작아지면 (S2 가 Y), 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차가 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포되어 있기 때문에 다음 단계 S4 로 진행된다.
덧붙여 말하면, 이 때 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차에 의한 이미지의 위치 편차량 (Δ) 도 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포되어 있다 (도 4(a) 의 곡선 a). 그래서, 도 4(c) 에 나타내는 바와 같이 시야 중심에 위치 결정된 직사각형 마크의 중심위치 (C : 도 2 에 나타내는 중심위치 (C1,C2)) 를 산출할 때에, 좌측 에지 (34) 와 우측 에지 (35) 의 위치 편차량 (Δ) 이 상쇄되고, 결과적으로 상기 중첩 편차량 (R) 을 정확히 구할 수 있다.
단, 제 2 대물렌즈 (20,21) 의 제 1 군 (20) 을 틸트 조정하면, 결상광학계 (19∼24) 에 약간의 편심 코마수차가 발생하는 경우가 있다. 본 실시형태에서는 이 경우의 편심 코마수차를 보정하여 상기 중첩 편차량 (R) 을 보다 정확히 구하기 위해서 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21) 을 시프트 가능하게 하였다.
또, 본 실시형태에서는 상기 중첩 편차량 (R) 을 더욱 정확히 구하기 위해, 결상광학계 (19∼24) 의 편심 코마수차를 보정하고, 게다가 결상광학계 (19∼24) 의 반사광 (L2) 의 이클립스나 조명광 (L1) 의 주광선의 경사 (조명 텔레센) 도 보정하기로 하였다. 반사광 (L2) 의 이클립스, 조명광 (L1) 의 경사의 보정은각각 결상 개구 조리개 (23), 조명 개구 조리개 (14) 의 시프트 조정에 의해 이루어진다.
또, 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21), 결상 개구 조리개 (23), 조명 개구 조리개 (14) 의 시프트 조정의 방법으로는 일본 공개특허공보 2000-77295호에 개시되어 있는 방법 (「QZ 법」이라고 함) 을 이용할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태에서는 상기 중첩 편차량 (R) 을 정확히 구하기 위해, 도 6 의 단계 S4 에서 QZ 법을 이용하여 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21), 결상 개구 조리개 (23), 조명 개구 조리개 (14) 의 시프트 조정을 한다.
이 때 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에는 웨이퍼 (11) 의 라인 앤드 스페이스 마크 (33 : 도 3) 가 위치 결정되고, 결과적으로 화상처리장치 (26) 에는 도 7(a) 에 나타내는 바와 같이 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 의 광 강도에 따른 화상신호가 입력된다.
그리고, 화상처리장치 (26) 는 라인 앤드 스페이스 마크 (33) 의 이미지에 관련된 화상신호 (도 7(a)) 를 입력하면, 화상에 나타난 복수 에지를 추출하여 좌측 에지 (36) 와 우측 에지 (37) 의 신호 강도 차이 (ΔI) 를 산출한다. 또한, 얻은 신호 강도 차이 (ΔI) 를 임의의 신호 강도 (I) 로 규격화하여 다음 식 (3) 에 나타내는 Q 값을 산출한다. Q 값은 좌측 에지 (36) 와 우측 에지 (37) 의 비대칭성을 표시하고 있다.
Q 값 = ΔI/I ×100(%)…(3)
이와 같은 Q 값의 산출은 제어장치 (27) 가 웨이퍼 (11) 를 Z 방향으로 이동시킬 때마다 이루어진다. 그 결과 도 7(b) 에 나타내는 바와 같은 Q 값의 포커스 특성 곡선을 얻을 수 있다.
제어장치 (27) 는 Q 값의 포커스 특성 곡선 (도 7(b)) 을 지표로 하여 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21), 결상 개구 조리개 (23), 조명 개구 조리개 (14) 의 시프트 조정을 한다 (QZ 법).
여기에서, Q 값의 포커스 특성 곡선 (도 7(b)) 중 도 7(c) 에 나타내는 평행 시프트 성분 α는 조명 개구 조리개 (14) 의 시프트 조정에 의해 변동되는 성분이다. 도 7(d) 에 나타내는 요철 성분 β는 결상 개구 조리개 (23) 의 시프트 조정에 의해 변동되는 성분이다. 또, 도 7(e) 에 나타내는 경사 성분 γ는 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21) 의 시프트 조정에 의해 변동되는 성분이다.
따라서, 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21), 결상 개구 조리개 (23), 조명 개구 조리개 (14) 를 필요에 따라 시프트 조정함으로써, Q 값의 포커스 특성 곡선 (도 7(b)) 을 미리 정한 규격값 (예컨대 Z 위치에 따르지 않고 0 을 나타내는 상태) 에 수렴시킬 수 있다.
이렇게 해서 QZ 법에 의한 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 의 미세 조정 처리가 종료되면, 제어장치 (27) 는 웨이퍼 (11) 의 하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태를 검사하기 위해, 다시 중첩측정장치 (10) 의 시야 중심에 웨이퍼 (11) 상의 중첩마크 (30 : 도 2) 를 위치 결정한다. 그리고, 화상처리장치 (26) 는 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 와 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2) 의 차이에 따라 중첩 편차량 (R) 을 산출한다.
본 실시형태에서는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차에 의한 이미지의 위치 편차량 (Δ) 을 시야 중심에 대하여 대칭으로 분포시켰기 때문에 (도 4(a) 의 곡선 a), 하지 마크 (31) 의 중심위치 (C1) 와 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C2) 를 정확히 산출할 수 있다. 그 결과 중첩 편차량 (R) 도 정확히 산출할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 결상광학계 (19∼24) 의 편심 코마수차나 반사광 (L2) 의 이클립스나 조명광 (L1) 의 주광선의 경사 (조명 텔레센) 도 보정하였기 때문에, 상기 중심위치 (C1,C2) 및 중첩 편차량 (R) 의 산출을 더욱 정확히 할 수 있다.
따라서, 중첩측정장치 (10) 에 의하면 결상광학계 (19∼24) 에 왜곡수차가 있어도 웨이퍼 (11) 의 중첩상태를 고정밀도 검사할 수 있어 제품의 수율을 더욱 향상시킬 수도 있다.
또, 상기 실시형태에서는 결상광학계 (19∼24) 의 왜곡수차 분포를 조정하기 위해서, 제 2 대물렌즈의 제 1 군 (20) 을 틸트 조정하였으나, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다. 예컨대, 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (15) 을 틸트 조정할 수도 있다. 또한, 제 1 대물렌즈 (19) 나 제 1 결상 릴레이 렌즈 (22), 제 2 결상 릴레이 렌즈 (24) 를 틸트 조정할 수도 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 결상광학계 (19∼24) 의 편심 코마수차를 보정하기 위해서, 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21) 을 시프트 조정하였으나, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다. 예컨대, 제 2 대물렌즈의 제 1 군 (20) 을 시프트 조정할 수도 있다. 제 1 대물렌즈 (19) 나 제 1 결상 릴레이 렌즈 (22), 제 2 결상 릴레이 렌즈 (24) 를 시프트 조정할 수도 있다.
단, 제 2 대물렌즈의 제 1 군 (20) 등과 같이 소정의 파워를 갖는 렌즈를 시프트 조정하면, 편심 코마수차 이외의 수차 (색 수차 등) 가 새롭게 발생하는 경우도 생각할 수 있으므로, 제 2 대물렌즈의 제 2 군 (21) 과 같은 어포컬계를 시프트 조정하는 것이 바람직하다.
또, 공통된 렌즈를 틸트 조정시키고 시프트 조정시키는 구성은 구동계 등이 복잡하고 대형화하기 위해서, 틸트 조정용 렌즈와 시프트 조정용 렌즈는 별도로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시형태에서는 제어장치 (27) 에 의해 자동적으로 조명광학계 (13∼18) 나 결상광학계 (19∼24) 를 조정하고, 그 다음에 중첩마크 (30) 의 하지 마크 (31) 와 레지스트 마크 (32) 의 중심위치 (C1,C2) 및 중첩 편차량 (R) 을 검출하였으나, 본 발명은 수동으로 조정이나 위치 검출 등을 하는 장치에도 적용할 수 있다. 이 경우 중첩측정장치 (10) 의 제어장치 (27) 는 생략된다.
또, 상기 실시형태에서는 중첩측정장치 (10) 를 예로 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
도 8 에 나타내는 중첩측정장치 (100) 는 중첩측정장치 (10) 의 결상광학계의 릴레이 광학계에 상당하는 부호 22∼24 를 없애고 CCD 촬상소자 (25) 를 1 차 결상면 (10a) 상에 배치하는 동시에 결상 개구 조리개 (23) 를 제 1 대물렌즈 (19) 내에 조합한 구성이다. 이 경우에도 중첩측정장치 (10) 와 동일한 광학계 조정이 가능하다. 도 8 의 중첩측정장치는 중첩측정장치 (10) 의 구성에서 릴레이렌즈부를 뺀 구성으로 되어 있으므로 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 마스크에 형성된 회로 패턴을 레지스트막에 전사하는 노광공정 전에 마스크와 웨이퍼 (11) 의 얼라인먼트를 실시하는 장치 (노광장치의 얼라인먼트계) 에도 적용할 수 있다. 이 경우에는 웨이퍼 (11) 상에 형성된 얼라인먼트 마크의 위치를 고정밀도로 검출할 수 있다. 또, 단일 마크와 카메라의 기준 위치의 광학적 위치 편차를 검출하는 장치에도 본 발명은 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계에 왜곡수차가 있어도 마크의 위치를 정확히 검출할 수 있기 때문에, 반도체 제조공정에서 중첩 검사나 얼라인먼트를 고정밀도로 실시할 수 있어 제품의 수율이 확실히 향상된다.

Claims (5)

  1. 기판 상의 피검 마크를 조명하는 조명수단;
    상기 피검 마크로부터의 광을 결상하여, 상기 피검 마크의 이미지를 형성하는 결상광학계;
    상기 결상광학계의 일부의 광학소자를 상기 결상광학계의 광축에 수직인 축을 중심으로 하여 틸트 가능하게 지지하는 광학소자 지지수단;
    상기 결상광학계에 의해 형성된 상기 피검 마크의 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단; 및
    상기 촬상수단으로부터 상기 화상신호를 입력하여, 상기 피검 마크의 위치를 산출하는 산출수단을 구비한 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬상수단으로부터 상기 화상신호를 입력하여, 상기 결상광학계의 왜곡수차의 분포상태를 측정하는 측정수단;
    상기 측정수단에 의한 측정결과에 기초하여 상기 광학소자 지지수단을 제어하여, 상기 일부의 광학소자의 틸트상태를 조정하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광축을 중심으로 하여 상기 기판을 회전 가능하게 지지하는 기판지지수단을 구비하고,
    상기 측정수단은, 상기 기판지지수단을 제어하여 상기 기판의 회전상태를 조정하고, 상기 기판을 180 도 회전시키는 전후의 상태에서 상기 촬상수단으로부터 상기 화상신호를 각각 입력하여, 상기 왜곡수차의 분포상태를 측정하는 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 당해 장치의 시야 중심에 대하여 상기 왜곡수차의 분포상태가 대칭으로 되도록 상기 일부의 광학소자의 틸트상태를 조정하는 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학소자 지지수단은, 상기 결상광학계의 다른 일부의 광학소자를 상기 광축에 수직인 축을 따라 시프트 가능하게 지지하고,
    상기 제어수단은, 상기 일부의 광학소자의 틸트상태를 조정한 후, 상기 다른 일부의 광학소자를 시프트시켜, 상기 결상광학계의 코마수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
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