KR20040002540A

KR20040002540A - 마크위치 검출장치 및 마크위치 검출방법

Info

Publication number: KR20040002540A
Application number: KR1020030037817A
Authority: KR
Inventors: 후꾸이다쯔오; 야마다도모아끼; 아리마히로후미
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2004-01-07
Also published as: US7197176B2; JP2004022797A; CN1469449A; TW200402090A; US20040114792A1

Abstract

(과제) 장치의 시야영역내에서의 피검마크의 위치결정지점에 관계없이, 기판상의 원점에 대한 피검마크의 위치를 재현성 좋게 검출한다.

(해결수단) 대상기판을 조명하는 조명수단(13∼18)과, 대상기판으로부터의 반사광에 기초하는 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단(19∼24)과, 대상기판으로서 반사특성이 이미 알려진 기준기판을 사용했을 때, 촬상수단으로부터 취득된 제 1 화상신호에 기초하여 당해 장치의 고정패턴 노이즈를 측정하는 측정수단(25)과, 고정패턴 노이즈를 기억하는 기억수단(26)과, 대상기판으로서 피검마크가 형성된 피검기판(11)을 사용했을 때, 촬상수단으로부터 취득된 제 2 화상신호와 기억수단에 기억된 고정패턴 노이즈에 기초하여 피검마크의 위치를 산출하는 산출수단(25)을 구비한다.

Description

마크위치 검출장치 및 마크위치 검출방법{APPARATUS AND METHOD OF DETECTING A MARK POSITION}

본 발명은 기판상의 피검마크의 위치를 검출하는 마크위치 검출장치 및 마크위치 검출방법에 관한 것으로, 특히 반도체소자 등의 제조공정에서의 고정밀도의 위치검출에 적합한 마크위치 검출장치 및 마크위치 검출방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 반도체소자나 액정표시소자의 제조공정에서는 마스크(레티클)에 형성된 회로패턴을 레지스트막에 전사하는 노광공정과, 레지스트막의 노광부분 또는 미노광부분을 용해하는 현상공정을 거쳐 레지스트막에 회로패턴(레지스트 패턴)이 전사된다. 이 레지스트 패턴을 마스크로 하여 에칭이나 증착 등을 행함으로써(가공공정), 레지스트막의 바로 아래에 인접하고 있는 소정의 재료막에 회로패턴이 전사된다(패턴형성공정).

이어서, 상기 소정의 재료막에 형성된 회로패턴상에 다른 회로패턴을 형성하기 위해서는 동일한 패턴형성공정이 반복된다. 패턴형성공정을 여러번 반복 실행함으로써, 다양한 재료막의 회로패턴이 기판(반도체 웨이퍼나 액정기판)상에 적층되어 반도체소자나 액정표시소자의 회로가 형성된다.

그런데, 상기의 제조공정에서는 다양한 재료막의 회로패턴을 정밀도 좋게 중첩하기 위해, 각각의 패턴형성공정 중 노광공정전에 마스크와 기판의 얼라인먼트를행한다. 또한, 현상공정후 또한 가공공정전에 기판상의 레지스트 패턴의 중첩상태를 검사하여 제품의 수율향상을 도모하고 있다.

또한, 마스크와 기판의 얼라인먼트(노광공정전)는 마스크상의 회로패턴과, 하나 앞의 패턴형성공정에서 기판상에 형성된 회로패턴의 얼라인먼트이다. 이와 같은 얼라인먼트는 각각의 회로패턴의 기준위치를 나타내는 얼라인먼트 마크를 사용하여 행해진다.

또, 기판상의 레지스트 패턴의 중첩상태의 검사(가공공정전)는 하나 앞의 패턴형성공정에서 형성된 회로패턴(이하, 「하지 패턴」이라고 함)에 대한 레지스트 패턴의 중첩검사이다. 이와 같은 중첩검사는 하지 패턴과 레지스트 패턴 각각의 기준위치를 나타내는 중첩 마크를 사용하여 행해진다.

그리고, 이들 얼라인먼트 마크나 중첩 마크(모두 「피검마크」라고 함)의 위치검출은 이 피검마크를 장치의 시야영역내에 위치결정하고, CCD 카메라 등의 촬상소자를 사용하여 피검마크의 반사이미지를 촬상하고, 얻어진 화상신호의 휘도분포에 기초하여 행해진다. 화상신호의 휘도분포란, 촬상소자의 촬상면에 있어서의 각 화소마다의 휘도정보로 이루어진다.

상기한 종래기술에서는 촬상소자로부터 얻어지는 화상신호의 휘도분포에 기초하여 피검마크의 위치를 검출하고, 추가로 중첩측정값을 계측한다. 그러나, 상기한 종래기술에서는 장치의 시야영역내에서의 피검마크의 위치결정지점에 따라 위치검출결과 및 중첩측정값의 계측결과가 변동한다는 문제가 있었다. 이 때문에, 동일한 피검마크에 대해 위치검출, 중첩측정을 행해도, 그 시야영역내에서의 피검마크의 위치결정지점이 다르면, 동일한 결과가 되지 않는다는 저재현성의 문제가 발생한다.

이것은 화상신호에 광학계나 촬상소자의 고정패턴 노이즈가 잔존하고 있기 때문이라고 생각된다. 이 문제는 최근의 피검마크의 저단차화에 따라 현저해지고 있다. 피검마크가 저단차화되면, 화상신호의 휘도분포의 콘트라스트가 저하되어 고정패턴 노이즈의 영향을 받기가 쉽기 때문이다.

본 발명의 목적은 장치의 시야영역내에서의 피검마크의 위치결정지점에 관계없이, 기판상의 원점에 대한 피검마크의 위치나 중첩측정값을 재현성 좋게 검출할 수 있는 마크위치 검출장치 및 마크위치 검출방법을 제공하는 것에 있다.

도 1은 중첩측정장치(10)의 전체구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 제품 웨이퍼(11)에 형성된 중첩 마크(30)의 평면도(a) 및 단면도(b)이다.

도 3은 중첩측정장치(10)의 자동초점맞춤기구를 설명하는 도면이다.

도 4는 경면 웨이퍼를 사용하여 화상처리장치(25)에 취득된 화상신호의 휘도분포(즉 고정패턴 노이즈)를 설명하는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 중첩측정장치11 : 제품 웨이퍼

12 : 검사 스테이지13 : 광원

14 : 조명 개구조리개15 : 콘덴서렌즈

16 : 시야조리개17 : 조명 릴레이렌즈

18 : 빔 스플리터19 : 제 1 대물렌즈

20 : 제 2 대물렌즈21 : 제 1 릴레이렌즈

22 : 결상 개구조리개23 : 제 2 릴레이렌즈

24 : CCD 촬상소자25 : 화상처리장치

26 : 기억장치30 : 중첩 마크

49 : 스테이지 제어장치

과제를 해결하기 위한 수단

청구항 1에 기재된 마크위치 검출장치는 대상기판을 조명하는 조명수단과, 상기 대상기판으로부터의 반사광에 기초하는 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단과, 상기 대상기판으로서 반사특성이 이미 알려진 기준기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 취득된 제 1 화상신호에 기초하여 당해 장치의 고정패턴 노이즈를 측정하는 측정수단과, 상기 고정패턴 노이즈를 기억하는 기억수단과, 상기 대상기판으로서 피검마크가 형성된 피검기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 취득된 제 2 화상신호와 상기 기억수단에 기억된 상기 고정패턴 노이즈에 기초하여 상기 피검마크의 위치를 산출하는 산출수단을 구비한 것이다.

청구항 2에 기재된 발명은 청구항 1에 기재된 마크위치 검출장치에 있어서, 상기 산출수단은 상기 촬상수단으로부터 취득된 상기 제 2 화상신호에 대해 상기 고정패턴 노이즈에 의한 보정을 행하고, 보정후의 화상신호에서의 휘도분포의 에지정보에 기초하여 상기 피검마크의 위치를 산출하는 것이다.

청구항 3에 기재된 발명은 대상기판을 조명하는 조명수단과, 상기 대상기판으로부터의 반사광에 기초하는 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단을 구비한 장치에 있어서의 마크위치 검출방법으로서, 상기 대상기판으로서 반사특성이 이미 알려진 기준기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 제 1 화상신호를 취득하고, 이 제 1 화상신호에 기초하여 상기 장치의 고정패턴 노이즈를 측정하는 측정공정과, 상기 고정패턴 노이즈를 기억하는 기억공정과, 상기 대상기판으로서 피검마크가 형성된 피검기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 제 2 화상신호를 취득하고, 이 제 2 화상신호와 기억된 상기 고정패턴 노이즈에 기초하여 상기 피검마크의 위치를 산출하는 산출공정을 구비한 것이다.

청구항 4에 기재된 발명은 청구항 3에 기재된 마크위치 검출방법에 있어서, 상기 산출공정에서는 상기 촬상수단으로부터 취득된 상기 제 2 화상신호에 대해 상기 고정패턴 노이즈에 의한 보정을 행하고, 보정후의 화상신호에서의 휘도분포의 에지정보에 기초하여 상기 피검마크의 위치를 산출하는 것이다.

발명의 실시형태

이하, 도면을 사용하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.

여기에서는, 본 실시형태의 마크위치 검출장치에 대하여 도 1에 나타내는 중첩측정장치(10)를 예로 설명한다.

중첩측정장치(10)는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 제품 웨이퍼(11; 또는 도시를 생략한 경면 웨이퍼)를 지지하는 검사 스테이지(12)와, 검사 스테이지(12)상의 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)에 대한 조명광(L1)을 사출하는 조명광학계(13∼18)와, 조명광(L1)에 의해 조명된 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 이미지를 형성하는 결상광학계(19∼23)와, CCD 촬상소자(24)와, 화상처리장치(25)와, 기억장치(26)와, 초점검출장치(41∼48)와, 스테이지 제어장치(49)로 구성되어 있다.

이 중첩측정장치(10)에 대하여 구체적으로 설명하기 전에, 제품 웨이퍼(11) 및 경면 웨이퍼를 설명한다.

제품 웨이퍼(11)에는 복수의 회로패턴(모두 도시하지 않음)이 표면상에 적층되어 있다. 최상층의 회로패턴은 레지스트막에 전사된 레지스트 패턴이다. 즉, 제품 웨이퍼(11)는 하나 앞의 패턴형성공정에서 형성된 하지 패턴상에 다른 회로패턴을 형성하는 공정의 도중(레지스트막에 대한 노광ㆍ현상후 또한 재료막에 대한 에칭가공전) 상태에 있다.

그리고, 제품 웨이퍼(11)의 하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태가 중첩측정장치(10)에 의해 검사된다. 이 때문에, 제품 웨이퍼(11)의 표면에는 중첩상태의 검사에 사용되는 중첩 마크(30; 도 2)가 형성되어 있다. 도 2(a)는 중첩 마크(30)의 평면도, 도 2(b)는 단면도이다.

중첩 마크(30)는 도 2(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 크기가 다른 직사각형상의 하지 마크(31)와 레지스트 마크(32)로 이루어진다. 하지 마크(31)는 하지 패턴과 동시에 형성되며, 하지 패턴의 기준위치를 나타낸다. 레지스트 마크(32)는 레지스트 패턴과 동시에 형성되며, 레지스트 패턴의 기준위치를 나타낸다. 여기에서는, 하지 마크(31)가 외부마크, 레지스트 마크(32)가 내부마크인 예를 도시하였다.

또, 도시를 생략했지만, 레지스트 마크(32) 및 레지스트 패턴과, 하지 마크(31) 및 하지 패턴 사이에는 가공대상이 되는 재료막이 형성되어 있다. 이 재료막은 중첩측정장치(10)에 의한 중첩상태의 검사후, 레지스트 마크(32)가 하지 마크(31)에 대해 정확하게 중첩되고, 레지스트 패턴이 하지 패턴에 대해 정확하게 중첩되어 있는 경우, 레지스트 패턴을 통해 실제로 가공된다.

한편, 경면 웨이퍼는 표면의 반사특성이 이미 알려진 웨이퍼로, 상기한 제품 웨이퍼(11)와 같은 회로패턴이나 중첩 마크(30; 도 2) 등의 요철구조가 표면에 형성되어 있지 않다. 본 실시 형태에서는 경면 웨이퍼로서 표면의 반사율 분포가 균일하고, 먼지나 오염의 부착이 없는 것을 사용한다. 이 경면 웨이퍼는 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈(상세한 설명은 후술)를 측정할 때 사용된다.

다음으로, 중첩측정장치(10; 도 1)의 구체적인 구성을 설명한다.

검사 스테이지(12)는 도시를 생략했지만, 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)를 수평상태로 유지하여 지지하는 홀더와, 이 홀더를 수평방향(XY 방향)으로 구동하는 XY 구동부와, 홀더를 연직방향(Z 방향)으로 구동하는 Z 구동부로 구성되어 있다. 그리고, XY 구동부와 Z 구동부는 후술하는 스테이지 제어장치(49)에 접속되어 있다.

또, 이 검사 스테이지(12)의 홀더에는 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사(하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태의 검사)시, 제품 웨이퍼(11)가 탑재된다. 또한, 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈(상세한 설명은 후술)의 측정시, 제품 웨이퍼(11) 대신에 경면 웨이퍼가 탑재된다.

조명광학계(13∼18)는 광축(O1)을 따라 순서대로 배치된 광원(13)과 조명 개구조리개(14)와 콘덴서렌즈(15)와 시야조리개(16)와 조명 릴레이렌즈(17)와 빔 스플리터(18)로 구성되어 있다. 빔 스플리터(18)는 반사투과면(18a)이 광축(O1)에 대해 약 45°기울어져 결상광학계(19∼23)의 광축(O2)상에도 배치되어 있다. 조명광학계(13∼18)의 광축(O1)은 결상광학계(19∼23)의 광축(O2)에 수직이다.

또, 광원(13)은 파장대역이 넓은 광(예컨대 백색광)을 사출한다. 조명 개구조리개(14)는 광원(13)으로부터 사출된 광의 직경을 특정한 직경으로 제한한다. 콘덴서렌즈(15)는 조명 개구조리개(14)로부터의 광을 집광한다. 시야조리개(16)는 중첩측정장치(10)의 시야영역을 제한하는 광학소자이며, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 직사각형상의 개구인 하나의 슬릿(16a)을 갖는다. 조명 릴레이렌즈(17)는 시야조리개(16)의 슬릿(16a)으로부터의 광을 콜리메이트한다.

상기 조명광학계(13∼18)에 있어서, 광원(13)으로부터 사출된 광은 조명 개구조리개(14)와 콘덴서렌즈(15)를 통해 시야조리개(16)를 균일하게 조명한다. 그리고, 시야조리개(16)의 슬릿(16a)을 통과한 광은 조명 릴레이렌즈(17)를 통해 빔 스플리터(18)에 안내되며, 그 반사투과면(18a)에서 반사된 후(조명광L1), 결상광학계(19∼23)의 광축(O2)상에 안내된다.

결상광학계(19∼23)는 광축(O2)을 따라 순서대로 배치된 제 1 대물렌즈(19)와 제 2 대물렌즈(20)와 제 1 릴레이렌즈(21)와 결상 개구조리개(22)와 제 2 릴레이렌즈(23)로 구성되어 있다. 결상광학계(19∼23)의 광축(O2)은 Z 방향에 평행하다.

또, 제 1 대물렌즈(19)와 제 2 대물렌즈(20)의 사이에는 조명광학계(13∼18)의 빔 스플리터(18)가 배치되고, 제 2 대물렌즈(20)와 제 1 릴레이렌즈(21) 사이에는 후술하는 초점검출장치(41∼48)의 빔 스플리터(41)가 배치되어 있다.

결상광학계(19∼23)의 제 1 대물렌즈(19)는 조명광학계(13∼18)의 빔 스플리터(18)로부터의 조명광(L1)을 입사하여 집광한다. 이에 의해, 검사 스테이지(12)상의 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)는 제 1 대물렌즈(19)를 투과한 조명광(L1)에 의해 수직으로 조명된다.

또, 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)에 입사할 때의 조명광(L1)의 입사각도범위는 조명광학계(13∼18)의 조명 개구조리개(14)의 조리개직경에 따라 결정된다. 조명 개구조리개(14)는 제 1 대물렌즈(19)의 동공에 공액인 면에 배치되어 있기 때문이다.

또한, 시야조리개(16)와 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)는 공액인 위치관계에 있기 때문에, 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 표면 중 시야조리개(16)의 슬릿(16a)에 대응하는 영역이 조명광(L1)에 의해 조명된다. 즉, 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 표면에는 조명 릴레이렌즈(17)와 제 1대물렌즈(19)의 작용에 의해 슬릿(16a)의 이미지가 투영된다.

그리고, 상기 조명광(L1)이 조사된 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 영역으로부터는 반사광(L2)이 발생한다. 이 반사광(L2)은 제 1 대물렌즈(19)에 안내된다.

제 1 대물렌즈(19)는 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)로부터의 반사광(L2)을 콜리메이트한다. 제 1 대물렌즈(19)로 콜리메이트된 반사광(L2)은 상기 빔 스플리터(18)를 투과하여 제 2 대물렌즈(20)에 입사한다. 제 2 대물렌즈(20)는 빔 스플리터(18)로부터의 반사광(L2)을 1차 결상면(10a)상에 집광한다.

1차 결상면(10a)의 후단에 배치된 초점검출장치(41∼48)의 빔 스플리터(41)는 제 2 대물렌즈(20)로부터의 반사광(L2)의 일부(L3)를 투과함과 동시에, 나머지의 일부(L4)를 반사한다. 빔 스플리터(41)를 투과한 광(L3)은 결상광학계 (19∼23)의 제 1 릴레이렌즈(21)에 안내된다.

제 1 릴레이렌즈(21)는 빔 스플리터(41)로부터의 광(L3)을 콜리메이트한다. 결상 개구조리개(22)는 제 1 릴레이렌즈(21)로부터의 광의 직경을 특정한 직경으로 제한한다. 제 2 릴레이렌즈(23)는 결상 개구조리개(22)로부터의 광을 CCD 촬상소자(24)의 촬상면(2차 결상면)상에 재결상한다.

즉, 조명광(L1)이 조사된 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)로부터의 반사광(L2)은 제 1 대물렌즈(19)와 빔 스플리터(18)를 통해 제 2 대물렌즈(20)에 안내되고, 제 1 대물렌즈(19)와 제 2 대물렌즈(20)의 작용에 의해 1차 결상면(10a)에결상된다.

또, 제 2 대물렌즈(20)로부터의 광은 빔 스플리터(41)와 제 1 릴레이렌즈(21)와 결상 개구조리개(22)를 통해 제 2 릴레이렌즈(23)에 안내되며, 제 1 릴레이렌즈(21)와 제 2 릴레이렌즈(23)의 작용에 의해 CCD 촬상소자(24)의 촬상면상에 재결상된다.

CCD 촬상소자(24)는 복수의 화소가 2차원으로 배열된 에어리어 센서이고, 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)로부터의 반사광(L2)에 기초하는 이미지(반사이미지)를 촬상하여 화상신호를 화상처리장치(25)에 출력한다. 화상신호는 CCD 촬상소자(24) 촬상면에서의 각 화소마다의 휘도값에 관한 분포(휘도분포)를 나타내고 있다.

여기에서, CCD 촬상소자(24)로부터 화상처리장치(25)에 출력되는 화상신호의 휘도분포에 대하여 설명한다. 이상적으로는 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 전체 영역 중 중첩측정장치(10)의 시야영역(50㎛ 정도)내에 포함되는 부분영역의 요철상태를 나타낸 것이 화상신호의 휘도분포가 된다. 그러나, 실제로 얻어지는 화상신호의 휘도분포에는 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈가 중첩된다.

중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈의 주된 원인으로서는 이하의 것을 생각할 수 있다.

ㆍ조명광학계(13∼18)로부터의 조명광(L1)에 의한 조도 불균일

ㆍ결상광학계(19∼23)의 수차 불균일 또는 투과율 불균일

ㆍ광로상(특히 이미지면 근방)에 형성된 각 광학부품의 표면의 결함이나 반사율 불균일, 투과율 불균일

ㆍCCD 촬상소자(24)의 각 화소마다의 감도 불균일

즉, 이들 다양한 불균일(시야영역내에서의 불균일성)이 복합되어 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈가 되고 있다.

그리고, 이와 같은 고정패턴 노이즈가 중첩되어 있는 화상신호의 휘도분포는 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 시야영역내에 포함되는 부분영역의 상태를 정확하게 나타낸 것은 아니다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는 CCD 촬상소자(24)로부터 화상처리장치(25)에 출력되는 화상신호에 대해 고정패턴 노이즈에 의한 보정을 행한다.

즉, 화상처리장치(25)는, 상세한 설명은 후술하는 바와 같이, 검사 스테이지(12)상에 제품 웨이퍼(11)가 탑재되어 있을 때, CCD 촬상소자(24)로부터 얻어지는 화상신호를 취득하고, 이 화상신호에 대해 고정패턴 노이즈에 의한 보정을 행하고, 보정후의 화상신호에서의 휘도분포에 기초하여 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사(하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태의 검사)를 행한다.

또한, 화상처리장치(25)는, 상세한 설명은 후술하는 바와 같이, 검사 스테이지(12)상에 경면 웨이퍼가 탑재되어 있을 때, CCD 촬상소자(24)로부터 얻어지는 화상신호의 휘도분포에 기초하여 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈를 측정한다. 그리고, 측정결과인 고정패턴 노이즈를 장치 정수로서 기억장치(26)에 기억시킨다.

다음으로, 중첩측정장치(10)의 초점검출장치(41∼48)에 대하여 간단하게 설명한다. 초점검출장치(41∼48)는 검사 스테이지(12)상의 제품 웨이퍼(11; 또는경면 웨이퍼)가 CCD 촬상소자(24)의 촬상면에 대해 초점맞춤(合焦)상태에 있는지를 검출하는 것이다.

초점검출장치(41∼48)는 광축(O3)을 따라 순서대로 배치된 빔 스플리터(41)와 AF 제 1 릴레이렌즈(42)와 평행평면판(43)과 동공분할미러(44)와 AF 제 2 릴레이렌즈(45)와 실린드리컬렌즈(46)와 AF 센서(47)와 신호처리부(48)로 구성되어 있다.

빔 스플리터(41)는 반사투과면이 광축(O3)에 대해 거의 45°기울어져 결상광학계(19∼23)의 광축(O2)상에도 배치되어 있다. 광축(O3)은 광축(O2)에 수직이다. AF 센서(47)는 라인센서이며, 그 촬상면(47a)에는 복수의 화소가 1차원으로 배열되어 있다. 실린드리컬렌즈(46)는 AF 센서(47)의 촬상면(47a)에서의 화소의 배열방향(도면 중 A 방향)에 대해 수직인 방향의 굴절력을 갖는다.

빔스플리터(41)에서 반사된 광(L4; 이하 ,「AF 광」이라고 함)은 AF 제 1 릴레이렌즈(42)에 의해 콜리메이트되며, 평행평면판(43)을 투과하여 동공분할미러 (44)에 입사한다. 동공분할미러(44)상에는 조명광학계(13∼18)의 조명 개구조리개(14)의 이미지가 형성된다. 평행평면판(43)은 조명 개구조리개(14)의 이미지를 동공분할미러(44)의 중심에 위치조정하기 위한 광학소자이며, 틸트조정이 가능한 기구로 되어 있다.

동공분할미러(44)에 입사한 AF 광은 여기에서 2 방향의 광으로 분리된 후, AF 제 2 릴레이렌즈(45)와 실린드리컬렌즈(46)를 통해 AF 센서(47)의 촬상면(47a) 근방에 집광된다. 이 때, 촬상면(47a)에는 화소의 배열방향(도면 중 A 방향)을따라 떨어진 위치에 2개의 광원이미지가 형성된다.

그리고, AF 센서(47)는 촬상면(47a)에 형성된 2개의 광원이미지의 결상중심(P1, P2; 도 3(a)∼(c))에 관한 정보를 검출신호로서 신호처리부(48)에 출력한다. 도 3(a), (b), (c)는 각각 검사 스테이지(12)상의 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)의 CCD 촬상소자(24)에 대한 전(前)핀상태, 초점맞춤상태, 후(後)핀상태를 나타내고 있다.

도 3(a)∼(c)에서 알 수 있는 바와 같이, 2개의 광원이미지의 결상중심(P1, P2)은 전핀상태(초점맞춤상태보다 하측)일수록 서로 접근하고, 후핀상태(초점맞춤위치보다 상측)일수록 서로 떨어진다. 즉, 검사 스테이지(12)를 Z 방향으로 상하이동시킴으로써, 촬상면(47a)의 화소의 배열방향(도면 중 A 방향)을 따라 가까워지거나 멀어진다.

신호처리부(48)는 AF 센서(47)로부터의 검출신호에 기초하여 2개의 광원이미지의 결상중심(P1, P2)간의 거리를 산출한다. 이 신호처리부(48)에는 초점맞춤상태에서의 결상중심(P1, P2)간의 거리가 미리 기억되어 있다. 이 때문에, 신호처리부(48)는 산출한 결상중심(P1, P2)간의 거리를 초점맞춤상태에서의 거리와 비교하고, 양자의 차이를 계산하여 얻어지는 초점위치신호를 스테이지 제어장치(49)에 출력한다.

구성설명의 마지막으로, 스테이지 제어장치(49)에 대하여 설명한다.

스테이지 제어장치(49)는 초점검출장치(41∼48)로부터의 초점위치신호에 기초하여 검사 스테이지(12)의 Z 구동부를 제어하고, 홀더와 함께 제품 웨이퍼(11;또는 경면 웨이퍼)를 Z 방향으로 상하이동시킨다(자동초점맞춤). 그 결과, 제품 웨이퍼(11; 또는 경면 웨이퍼)를 CCD 촬상소자(24)에 대해 초점맞춤시킬 수 있다.

또, 스테이지 제어장치(49)는 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사(하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태 검사)시, 검사 스테이지(12)의 XY 구동부를 제어하여 홀더(제품 웨이퍼(11))를 XY 방향으로 이동시키고, 제품 웨이퍼(11)상의 중첩 마크(30; 도 2)를 중첩측정장치(10)의 시야영역내에 위치결정한다.

또한, 스테이지 제어장치(49)는 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈의 측정시, 상기와 마찬가지로 검사 스테이지(12)의 XY 구동부를 제어하여 홀더(경면 웨이퍼)를 XY 방향으로 이동시키고, 경면 웨이퍼의 임의의 부분영역을 중첩측정장치(10)의 시야영역내에 위치결정한다.

다음으로, 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈의 측정과, 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사에 대하여 순서대로 설명한다.

고정패턴 노이즈의 측정은 중첩측정장치(10)의 검사 스테이지(12)상에 경면 웨이퍼를 탑재시킨 상태에서 행한다. 이 때, 스테이지 제어장치(49)가 검사 스테이지(12)의 XY 구동부를 상기와 같이 제어하면, 중첩측정장치(10)의 시야영역 전역에 경면 웨이퍼의 부분영역이 포함된다.

그리고, 이 상태에서 화상처리장치(25)는 CCD 촬상소자(24)로부터 얻어지는 화상신호를 취득하고, 화상신호의 휘도분포에 기초하여 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈를 측정한다. 경면 웨이퍼를 사용하여 취득된 화상신호의 휘도분포는, 예컨대 도 4에 나타낸 바와 같이 된다.

화상신호의 휘도분포란, CCD 촬상소자(24)의 촬상면에서의 각 화소마다의 휘도값에 관한 이산적인 분포이지만, 도 4에서는 편의상 연속적인 곡선으로 도시하였다. 또, 실제로는 XY 방향의 2차원 화상정보로서 얻어지지만, 설명을 간략화하기 위해 X 방향의 1차원 화상정보만을 도 4에 나타냈다. 도 4의 횡축은 각각의 화소의 위치 Xi 를 나타내고, 종축은 휘도값 N(Xi) 를 나타내고 있다.

이미 설명한 바와 같이, 경면 웨이퍼는 표면에 요철구조를 가지지 않고, 균일한 반사율을 가지므로, 이상적으로는 화소의 위치 Xi 에 관계없이 일정한 휘도값 N(Xi) 를 나타내는 휘도분포가 얻어진다. 그러나, 실제로 얻어지는 화상신호의 휘도분포는 도 4에 예시한 바와 같이, 화소의 위치 Xi 에 따라 휘도값 N(Xi) 가 변동하고 있다. 이것은 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈가 중첩되어 있기 때문이다.

따라서, 경면 웨이퍼를 사용하여 화상처리장치(25)에 취득된 화상신호의 휘도분포(예컨대 도 4)의 변동성분 그 자체가 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈를 나타내고 있다고 생각할 수 있다. 그리고, 화상처리장치(25)는 측정결과인 고정패턴 노이즈를 장치 정수로서 기억장치(26)에 기억시킨다.

또한, 화상처리장치(25)는 다음에 설명하는 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사시, 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈를 사용한 보정을 행하기 위해, 다음 식 (1)에 기초하여 보정휘도데이터 A(Xi) 를 산출한다.

A(Xi) = Nave-N(Xi)…(1)

이 보정휘도데이터 A(Xi) 는 전체화소의 휘도값 N(Xi) 로부터 구한 평균휘도값 Nave 과, 각 화소의 휘도값 N(Xi) 의 차이에 상당한다. 이 차이는 화소의 휘도계조가 예컨대 256 계조인 경우, 1∼2 계조 정도이다. 그리고, 화상처리장치(25)는 산출한 보정휘도데이터 A(Xi) 도 장치 정수로서 기억장치(26)에 기억시킨다.

그리고, 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사는 기억장치(26)내의 보정휘도데이터 A(Xi) 를 사용하여 다음과 같이 행해진다.

이 중첩검사시, 검사 스테이지(12)상에는 제품 웨이퍼(11)가 탑재되며, 중첩측정장치(10)의 시야영역내에 제품 웨이퍼(11)상의 중첩 마크(30; 도 2)가 위치결정된다.

이 때, 시야영역내의 임의의 지점에 위치결정된 중첩 마크(30)가 조명광(L1)에 의해 조명되고, CCD 촬상소자(24)의 촬상면상에는 중첩 마크(30)의 이미지가 형성된다. 그리고, 이 상태에서 화상처리장치(25)는 CCD 촬상소자(24)로부터 얻어지는 화상신호를 취득한다.

이 경우, 화상신호의 휘도분포는 중첩 마크(30)의 구조에 따른 휘도분포에 대해 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈(예컨대 도 4의 변동성분)가 중첩된 분포로 되어 있다. 즉, 중첩 마크(30)의 구조를 정확하게 나타낸 것은 아니다. 그리고, 중첩측정장치(10)의 시야영역내에서의 중첩 마크(30)의 위치결정지점이 이동하면, 휘도분포의 형상 그 자체가 고정패턴 노이즈의 영향으로 변화한다.

따라서, 화상처리장치(25)는 중첩 마크(30)의 이미지에 관한 화상신호를 CCD촬상소자(24)로부터 취득하고, 이 화상신호에 대해 고정패턴 노이즈의 보정을 행한다. 구체적으로는 기억장치(26)내의 보정휘도데이터 A(Xi) 와, 중첩 마크(30)의 이미지에 관한 화상신호의 휘도값을 화소단위로 1개씩 가산해 간다.

그 결과, 화상처리장치(25)에서는 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈 성분이 제거되고, 중첩 마크(30; 도 2)의 구조만을 정확하게 반영한 휘도분포의 화상신호를 생성할 수 있다.

그 후, 화상처리장치(25)는 보정후의 화상신호에서의 휘도분포의 에지정보를 추출한다. 휘도분포의 에지정보란, 중첩 마크(30)의 구조에 대응하여 화상신호에 나타난 명암정보이고, 휘도분포 중에서 휘도값이 급격하게 변화하는 개소이다. 에지정보에는 중첩 마크(30)의 구조에 따라 복수의 에지가 포함된다. 에지정보의 추출시에는 이산적인 휘도분포가 스플라인 보간된다.

또한, 화상처리장치(25)는 화상신호(보정후)의 휘도분포로부터 추출한 에지정보에 기초하여 중첩 마크(30)를 구성하는 하지 마크(31), 레지스트 마크(32; 도 2)의 중심위치(C1, C2)를 각각 산출한다. 이들 중심위치(C1, C2)의 산출시에는, 예컨대 상관연산법이 사용된다. 또, 산출된 중심위치(C1, C2)란, 중첩측정장치(10)의 시야영역에 설정된 좌표계의 원점에 대한 위치이다.

본 실시 형태에서는 중첩 마크(30)의 구조만을 정확하게 반영한 휘도분포(보정후의 화상신호)에 기초하여 에지정보를 추출하고, 이 에지정보에 기초하여 상기의 중심위치(C1, C2)를 산출하므로 다음의 효과를 발휘한다.

즉, 중첩측정장치(10)의 시야영역내에서의 하지 마크(31), 레지스트마크(32)의 위치결정지점에 관계없이 중심위치(C1, C2)를 재현성 좋게 검출할 수 있다. 이것은 시야영역내에서의 하지 마크(31), 레지스트 마크(32)의 위치결정지점이 이동해도, 위치검출결과가 변동하지 않는 것을 의미한다.

또, 본 실시 형태의 중첩측정장치(10)에서는 화상처리장치(25)에서 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사(하지 패턴에 대한 레지스트 패턴의 중첩상태의 검사)가 행해진다. 즉, 화상처리장치(25)는 하지 마크(31), 레지스트 마크(32)의 중심위치(C1, C2)의 차이(어긋남량)에 기초하여 중첩측정값(R; 도 2)을 산출한다. 중첩측정값(R)은 제품 웨이퍼(11) 표면의 2차원 벡터로서 나타난다.

이와 같이 하여 산출된 중첩측정값(R)도 상기의 중심위치(C1, C2)와 마찬가지로 중첩측정장치(10)의 시야영역내에서의 하지 마크(31), 레지스트 마크(32)의 위치결정지점에 관계없이 동일한 값을 나타내게 된다. 즉, 본 실시 형태에 의하면, 제품 웨이퍼(11)의 중첩측정값(R)도 고정패턴 노이즈의 영향을 받지 않고 재현성 좋게 검출할 수 있다. 따라서, 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사에 대한 신뢰성이 향상된다.

최근, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리 등의 도입에 의해 하지 마크(31)의 저단차화가 진행되어 화상처리장치(25)에 취득되는 화상신호의 휘도분포의 콘트라스트가 저하되는 경향이 있는데, 본 실시 형태에 의하면, 이와 같은 마크의 저단차화에도 충분히 대응할 수 있다.

즉, 저단차 마크를 검출대상으로 하는 경우라도, 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈의 영향을 받지 않고 그 중심위치(C1, C2)나 중첩측정값(R)을 재현성 좋게 검출할 수 있다.

또, 상기한 실시 형태에서는 식 (1)의 보정휘도데이터 A(Xi) 를 사용하여 고정패턴 노이즈를 보정하고, 하지 마크(31), 레지스트 마크(32)의 중심위치(C1, C2)나 중첩측정값 R 을 검출했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 다음 식 (2)에 기초하여 산출한 보정휘도데이터 B(Xi) 를 사용할 수도 있다.

B(Xi) = Nave/N(Xi)…(2)

이 보정휘도데이터 B(Xi) 는 전체화소의 휘도값 N(Xi) 으로부터 구한 평균휘도값 Nave 와, 각 화소의 휘도값 N(Xi) 의 비에 상당한다. 그리고, 이 보정휘도데이터 B(Xi) 도 장치 정수로서 기억장치(26)에 기억되어 제품 웨이퍼(11)의 중첩검사시에 참조된다.

보정휘도데이터 B(Xi) 에 의한 고정패턴 노이즈의 보정은 중첩 마크(30)의 이미지에 관한 화상신호의 휘도값에 대해 기억장치(26)내의 보정휘도데이터 B(Xi) 를 화소단위로 1개씩 승산해 가는 처리가 된다. 이 경우에도, 상기의 보정휘도데이터 A(Xi) 를 사용한 경우와 마찬가지로, 하지 마크(31), 레지스트 마크(32)의 중심위치(C1, C2)나 중첩측정값 R 을 재현성 좋게 검출할 수 있다.

또, 보정휘도데이터 A(Xi) 나 보정휘도데이터 B(Xi) 를 조합하거나, 미리 복수 종류의 보정휘도데이터를 준비하고, 제품 웨이퍼(11)를 사용하여 취득한 화상신호의 평균휘도값에 따라 보정휘도데이터를 구별해서 사용해도 된다.

또한, 중첩측정장치(10)의 고정패턴 노이즈의 보정방법은 상기한 2개의 예에 한정되지 않는다. 경면 웨이퍼를 사용하여 화상처리장치(25)에 취득된 화상신호의 휘도분포 N(Xi) 그 자체를 사용하고, 화소단위로 1개씩 휘도값의 고정패턴 노이즈를 보정해도 된다.

또, 상기한 실시 형태에서는 제품 웨이퍼(11)를 사용했을 때의 화상신호에 대해 고정패턴 노이즈의 보정을 행하고, 보정후의 화상신호로부터 에지정보를 추출했지만, 본 발명은 이 순서에 한정되지 않는다. 고정패턴 노이즈의 보정은 다른 임의의 타이밍으로 행해도 된다. 제품 웨이퍼(11)를 사용했을 때의 화상신호와 고정패턴 노이즈에 기초하여 상기의 중심위치(C1, C2)나 중첩측정값 R 을 검출함으로써, 동일한 재현성 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는 중첩측정장치(10)내의 화상처리장치(25)에 의해 고정패턴 노이즈의 보정이나 중첩측정값 R 의 검출 등을 행했지만, 중첩측정장치(10)에 접속된 외부의 컴퓨터를 사용한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 상기한 실시형태에서는 중첩측정장치(10)를 예로 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 마스크에 형성된 회로패턴을 레지스트막에 전사하는 노광공정전에 마스크와 제품 웨이퍼(11)의 얼라인먼트를 행하는 장치(노광장치의 얼라인먼트계)에도 적용할 수 있다. 이 경우에는, 제품 웨이퍼(11)상에 형성된 얼라인먼트 마크의 위치를 재현성 좋게 검출할 수 있다. 또, 단일의 피검마크와 카메라의 기준위치의 광학적 위치어긋남을 검출하는 장치에도 본 발명은 적용될 수 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는 경면 웨이퍼를 사용하여 장치의 고정패턴 노이즈를 측정했지만, 경면 웨이퍼 대신에 반사경을 사용할 수도 있다. 또, 표면의 반사율 분포가 균일하지 않아도, 반사특성이 이미 알려져 있으면, 동일한 고정패턴 노이즈를 측정할 수 있다. 또한, 경면 웨이퍼나 반사경 등의 표면에 먼지나 오염이 부착한 경우에는 먼지나 오염의 부착이 없는 부분의 영역을 육안 등으로 찾아 그 장소에서 고정패턴 노이즈 측정용 화상신호를 취득하는 것이 바람직하다.

이상의 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 장치의 시야영역내에서의 피검마크의 위치결정지점에 관계없이, 기판상의 원점에 대한 피검마크의 위치나 중첩측정값을 재현성 좋게 검출할 수 있기 때문에, 반도체 제조공정에서의 중첩검사나 얼라인먼트를 고정밀도로 행할 수 있어, 제품의 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims

대상기판을 조명하는 조명수단;

상기 대상기판으로부터의 반사광에 기초하는 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단;

상기 대상기판으로서 반사특성이 이미 알려진 기준기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 취득된 제 1 화상신호에 기초하여, 당해 장치의 고정패턴 노이즈를 측정하는 측정수단;

상기 고정패턴 노이즈를 기억하는 기억수단; 및

상기 대상기판으로서 피검마크가 형성된 피검기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 취득된 제 2 화상신호와 상기 기억수단에 기억된 상기 고정패턴 노이즈에 기초하여, 상기 피검마크의 위치를 산출하는 산출수단을 구비한 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
제 1 항에 있어서,

상기 산출수단은, 상기 촬상수단으로부터 취득된 상기 제 2 화상신호에 대해, 상기 고정패턴 노이즈에 의한 보정을 행하고, 보정후의 화상신호에서의 휘도분포의 에지정보에 기초하여, 상기 피검마크의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 마크위치 검출장치.
대상기판을 조명하는 조명수단과, 상기 대상기판으로부터의 반사광에 기초하는 이미지를 촬상하여 화상신호를 출력하는 촬상수단을 구비한 장치에서의 마크위치 검출방법으로서,

상기 대상기판으로서 반사특성이 이미 알려진 기준기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 제 1 화상신호를 취득하고, 이 제 1 화상신호에 기초하여, 상기 장치의 고정패턴 노이즈를 측정하는 측정공정;

상기 고정패턴 노이즈를 기억하는 기억공정; 및

상기 대상기판으로서 피검마크가 형성된 피검기판을 사용했을 때, 상기 촬상수단으로부터 제 2 화상신호를 취득하고, 이 제 2 화상신호와 기억된 상기 고정패턴 노이즈에 기초하여, 상기 피검마크의 위치를 산출하는 산출공정을 구비한 것을 특징으로 하는 마크위치 검출방법.
제 3 항에 있어서,

상기 산출공정에서는, 상기 촬상수단으로부터 취득된 상기 제 2 화상신호에 대해, 상기 고정패턴 노이즈에 의한 보정을 행하고, 보정후의 화상신호에서의 휘도분포의 에지정보에 기초하여, 상기 피검마크의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 마크위치 검출방법.