特開 2024-115519 オーバーレイ測定装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115519

(43)【公開日】2024-08-26

(54)【発明の名称】オーバーレイ測定装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20240819BHJP

【ＦＩ】

H01L21/66 J

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024004877

(22)【出願日】2024-01-16

(31)【優先権主張番号】10-2023-0019129

(32)【優先日】2023-02-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】515309575

【氏名又は名称】オーロステクノロジー， インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100115749

【弁理士】

【氏名又は名称】谷川 英和

(74)【代理人】

【識別番号】100166811

【弁理士】

【氏名又は名称】白鹿 剛

(72)【発明者】

【氏名】リ スンス

(72)【発明者】

【氏名】ペク ジュンヒョク

(72)【発明者】

【氏名】ウー ヨンジェ

【テーマコード（参考）】

4M106

【Ｆターム（参考）】

4M106AA01

4M106BA04

4M106BA05

4M106CA39

4M106DB04

4M106DB07

4M106DB08

4M106DB12

4M106DB13

4M106DB14

4M106DB15

4M106DB16

4M106DB19

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高さ差が大きく、光学的性質の異なる層間のオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定するオーバーレイ測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】オーバーレイ測定装置は、互いに異なる層に形成された第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとの高さ差（Δｈ）を検出する高さ差検出光学系１０、オーバーレイマークへの照明光学系２０、オーバーレイマークからの反射光を第１のビームと第２のビームに分離するメインビームスプリッター３０、第１のビームを受光し、第１のオーバーレイマークイメージを生成する第１の検出器４０、第２のビームを受光し、第２のオーバーレイマークイメージを生成する第２の検出器５０、第１のビームを第１の検出器に結像させる結像光学系６０、高さ差（Δｈ）に基づいて第２のビームの光路長を調節する光路調節部７５及び第２のビームを第２の検出器に結像させるテレセントリック結像光学系７０を備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに異なる層にそれぞれ形成された第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとを含むオーバーレイマークが形成されたサンプルの層間オーバーレイ誤差を測定するオーバーレイ測定装置であって、
前記第１のオーバーレイマークと前記第２のオーバーレイマークとの高さ差（Δｈ）を検出するように構成された高さ差検出光学系と、
前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすように構成された照明光学系と、
前記オーバーレイマークからの反射光を第１のビームと第２のビームに分離するように構成されたメインビームスプリッターと、
前記第１のビームを受光して、前記第１のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第１のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第１の検出器と、
前記第２のビームを受光して、前記第２のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第２のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第２の検出器と、
前記第１のビームを前記第１の検出器に結像させるように構成された結像光学系と、
前記高さ差に基づいて前記第２のビームの光路長を調節する光路調節部、及び前記メインビームスプリッターと前記第２の検出器との間に配置され、前記第２のビームを前記第２の検出器に結像させるテレセントリックレンズを含むテレセントリック結像光学系と、を備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置。

【請求項2】

前記光路調節部は、
前記メインビームスプリッターと前記第２の検出器との間に配置され、前記第２のビームを前記第２の検出器に向けて反射させる少なくとも１つのミラーと、
少なくとも１つの前記ミラーを直線移動させて前記第２のビームの前記光路長を調節するように構成されたミラーステージと、
前記高さ差に基づいて前記ミラーステージを制御するように構成された制御器と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のオーバーレイ測定装置。

【請求項3】

前記制御器は、前記高さ差と前記第２のオーバーレイマークイメージの拡大倍率との積に比例して前記第２のビームの前記光路が延長され、前記延長された前記第２のビームの前記光路が前記第１のビームの光路に比べて長くなるように前記ミラーステージを制御することを特徴とする、請求項２に記載のオーバーレイ測定装置。

【請求項4】

前記結像光学系は、前記第１の検出器の前段に配置され、前記第１のビームの中心波長及びバンド幅を前記第１のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第１の光学フィルターをさらに備え、
前記テレセントリック結像光学系は、前記第２の検出器の前段に配置され、前記第２のビームの中心波長及びバンド幅を前記第２のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第２の光学フィルターをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のオーバーレイ測定装置。

【請求項5】

前記第１の光学フィルターと前記第２の光学フィルターは、線形または回転型の可変フィルターであることを特徴とする、請求項４に記載のオーバーレイ測定装置。

【請求項6】

前記第１のオーバーレイマークイメージと前記第２のオーバーレイマークイメージとが同時に生成されるように前記第１の検出器と前記第２の検出器とが同期化されていることを特徴とする、請求項１に記載のオーバーレイ測定装置。

【請求項7】

互いに異なる層にそれぞれ形成された第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとを含むオーバーレイマークが形成されたサンプルの層間オーバーレイ誤差を測定するオーバーレイ測定方法であって、
前記第１のオーバーレイマークと前記第２のオーバーレイマークとの高さ差（Δｈ）を検出するステップと、
前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすステップと、
前記オーバーレイマークからの反射光を第１のビームと第２のビームに分離させるステップと、
前記第１のビームを第１の検出器に結像させるステップと、
前記第２のオーバーレイマークに焦点が合うように、前記高さ差（Δｈ）に基づいて、前記第２のビームの光路長を調節するステップと、
テレセントリックレンズを通過し、長さが調節された前記光路を経た前記第２のビームを第２の検出器に結像させるステップと、
前記第１の検出器で、前記第１のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第１のオーバーレイマークイメージを生成し、前記第２の検出器で、前記第２のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第２のオーバーレイマークイメージを生成するステップと、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法。

【請求項8】

前記高さ差と前記第２のオーバーレイマークイメージの拡大倍率との積に比例して前記第２のビームの前記光路が延長され、前記延長された前記第２のビームの前記光路が前記第１のビームの光路に比べて長くなるように前記第２のビームの光路長が調節されることを特徴とする、請求項７に記載のオーバーレイ測定方法。

【請求項9】

前記第１のビームの中心波長及びバンド幅を前記第１のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、
前記第２のビームの中心波長及びバンド幅を前記第２のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載のオーバーレイ測定方法。

【請求項10】

前記第１のビームの中心波長と前記第２のビームの中心波長とは互いに異なることを特徴とする、請求項９に記載のオーバーレイ測定方法。

【請求項11】

前記第１のオーバーレイマークイメージと前記第２のオーバーレイマークイメージとが同時に生成されるように前記第１の検出器と前記第２の検出器とが同期化されていることを特徴とする、請求項７に記載のオーバーレイ測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オーバーレイ測定装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

技術発展に伴い、半導体デバイスのサイズが小さくなり、集積回路の密度増加が求められている。このような要件を満たすためには、様々な条件が満たされなければならず、その中でも、オーバーレイ許容誤差は重要な指標の１つである。

【0003】

半導体デバイスは、数多くの製造プロセスによって製造される。集積回路をウェハーに形成するためには、所望の回路構造及び要素が特定の位置に順次形成されるように多くの製造プロセスを経なければならない。製造プロセスは、ウェハー上にパターン化された層を順次生成するようにする。このような繰り返される積層工程を介して集積回路内に電気的に活性化されたパターンを生成する。このとき、それぞれの構造が生産工程で許容される誤差範囲以内に整列されなければ、電気的に活性化されたパターン同士の間に干渉が起こり、このような現象により製造された回路の性能及び信頼性に問題が生じるおそれがある。このような層間の位置合わせ誤差を測定及び検証するために、オーバーレイ測定ツールが使用される。

【0004】

一般なオーバーレイ測定及び方法は、２つの層間の位置合わせが許容誤差内にあるか否かを測定及び検証する。その一つの方法として、基板上で特定の位置にオーバーレイマークと呼ばれる構造物を形成し、この構造物を光学的なイメージ取得装備で撮影してオーバーレイを測定する方法がある。測定のための構造物は、それぞれの層ごとにＸ方向及びＹ方向のうちの少なくとも一方向のオーバーレイを測定することができるように設計されている。各構造物は、対称構造に設計されており、対称方向に配置された構造物間の中心値を計算してその層の代表値として使用し、そのそれぞれの層の代表値の相対的な差異を計算してオーバーレイ誤差を導出する。

【0005】

２つの層のオーバーレイを測定する場合には、図１及び図２に示すように、四角形の主尺（ｏｕｔｅｒ ｂｏｘ）１、主尺１に比べて小さい四角形の副尺（ｉｎｎｅｒ ｂｏｘ）２を、連続した２つの層にそれぞれ形成した後、図３及び図４に示すように、主尺１に焦点を合わせた後、位置別強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の変化を示す波形を取得して主尺１の中心値Ｃ１を取得し、副尺２に焦点を合わせた後、位置別強度の変化を示す波形を取得して副尺２の中心値Ｃ２を取得することにより、２層間のオーバーレイ誤差を測定する。

【0006】

しかし、このような従来の方法は、主尺１が形成された層と、副尺２が形成された層との高さ差が大きい場合には、主尺１と副尺２のうちのいずれか一方に焦点を合わせると、もう一方に焦点が合わないためぼやけて表示されるという問題がある。

【0007】

また、主尺１と副尺２とが互いに異なる層に互いに異なる物質で形成され、主尺１は副尺２が形成された層によって覆われているという点などを考慮せず、同じビームを用いて主尺１と副尺２の波形又はイメージを取得するという点において問題がある。

【0008】

半導体工程技術の発展により高さ差が大きく、光学的性質の異なる層間のオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定する必要がある現在では、これらの問題点の解決に対する要求がますます高まっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】韓国公開特許公報第２００３－００５４７８１号

【特許文献2】韓国登録特許公報第１０－０６８９７０９号

【特許文献3】韓国登録特許公報第１０－１５６４３１２号

【特許文献4】韓国公開特許公報第１０－２０１８－００４２６４９号

【特許文献5】韓国公開特許公報第１０－２０１８－００４５０２６号

【特許文献6】特開２００５－５１９４６０公報

【特許文献7】韓国登録特許公報第１０－２１２０５５１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、上述した問題点を改善するためのもので、その目的は、高さ差が大きく、光学的性質の異なる層間のオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定することができる新規なオーバーレイ測定装置及び方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するために、本発明は、互いに異なる層にそれぞれ形成された第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとを含むオーバーレイマークが形成されたサンプルの層間オーバーレイ誤差を測定するオーバーレイ測定装置であって、前記第１のオーバーレイマークと前記第２のオーバーレイマークとの高さ差Δｈを検出するように構成された高さ差検出光学系と、前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすように構成された照明光学系と、前記オーバーレイマークからの反射光を第１のビームと第２のビームに分離するように構成されたメインビームスプリッターと、前記第１のビームを受光して前記第１のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第１のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第１の検出器と、前記第２のビームを受光して、前記第２のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第２のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第２の検出器と、前記第１のビームを前記第１の検出器に結像させるように構成された結像光学系と、前記高さ差に基づいて前記第２のビームの光路長を調節する光路調節部、及び前記メインビームスプリッターと前記第２の検出器との間に配置され、前記第２のビームを前記第２の検出器に結像させるテレセントリックレンズを含むテレセントリック結像光学系と、を備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。

【0012】

また、前記光路調節部は、前記メインビームスプリッターと前記第２の検出器との間に配置され、前記第２のビームを前記第２の検出器に向けて反射させる少なくとも１つのミラーと、少なくとも１つの前記ミラーを直線移動させて前記第２のビームの前記光路長を調節するように構成されたミラーステージと、前記高さ差に基づいて前記ミラーステージを制御するように構成された制御器と、を備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。

【0013】

また、前記制御器は、前記高さ差と前記第２のオーバーレイマークイメージの拡大倍率との積に比例して前記第２のビームの前記光路が延長され、前記延長された前記第２のビームの前記光路が前記第１のビームの光路に比べて長くなるように前記ミラーステージを制御することを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。

【0014】

また、前記結像光学系は、前記第１の検出器の前段に配置され、前記第１のビームの中心波長及びバンド幅を前記第１のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第１の光学フィルターをさらに備え、前記テレセントリック結像光学系は、前記第２の検出器の前段に配置され、前記第２のビームの中心波長及びバンド幅を前記第２のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第２の光学フィルターをさらに備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。

【0015】

また、前記第１の光学フィルターと前記第２の光学フィルターは、線形または回転型の可変フィルターであることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。

【0016】

また、第１のオーバーレイマークイメージと前記第２のオーバーレイマークイメージとが同時に生成されるように前記第１の検出器と前記第２の検出器とが同期化されていることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。

【0017】

また、本発明は、互いに異なる層にそれぞれ形成された第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとを含むオーバーレイマークが形成されたサンプルの層間オーバーレイ誤差を測定するオーバーレイ測定方法であって、前記第１のオーバーレイマークと前記第２のオーバーレイマークとの高さ差Δｈを検出するステップと、前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすステップと、前記オーバーレイマークからの反射光を第１のビームと第２のビームに分離させるステップと、前記第１のビームを第１の検出器に結像させるステップと、前記第２のオーバーレイマークに焦点が合うように、前記高さ差Δｈに基づいて、前記第２のビームの光路長を調節するステップと、テレセントリックレンズを通過し、長さが調節された光路を経た前記第２のビームを第２の検出器に結像させるステップと、前記第１の検出器で、前記第１のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第１のオーバーレイマークイメージを生成し、前記第２の検出器で、前記第２のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第２のオーバーレイマークイメージを生成するステップと、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。

【0018】

また、前記高さ差と前記第２のオーバーレイマークイメージの拡大倍率との積に比例して前記第２のビームの前記光路が延長され、前記延長された前記第２のビームの前記光路が前記第１のビームの光路に比べて長くなるように前記第２のビームの光路長が調節されることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。

【0019】

また、前記第１のビームの中心波長及びバンド幅を前記第１のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、前記第２のビームの中心波長及びバンド幅を前記第２のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、をさらに含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。

【0020】

また、前記第１のビームの中心波長と前記第２のビームの中心波長とは互いに異なることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。

【0021】

また、前記第１のオーバーレイマークイメージと前記第２のオーバーレイマークイメージとが同時に生成されるように前記第１の検出器と前記第２の検出器とが同期化されていることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。

【発明の効果】

【0022】

本発明によるオーバーレイ測定装置及び方法は、高さ差が大きく、光学的性質が互いに異なる層間のオーバーレイ誤差を正確且つ高速に測定することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】オーバーレイマークの平面図である。

【図2】図１に示されたオーバーレイマークの側面図である。

【図3】図１に示されたオーバーレイマークの主尺に焦点を合わせた状態で取得された信号の位置別強度の変化波形を示す。

【図4】図１に示されたオーバーレイマークの副尺に焦点を合わせた状態で取得されたた信号の位置別強度の変化波形を示す。

【図5】本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置の概念図である。

【図6】図５に示された第１のカラーフィルターを通過した第１の照明の波長による強度を示す図である。

【図7】図５に示された第２のカラーフィルターを通過した第２の照明の波長による強度を示す図である。

【図8】図５に示されたビームコンバイナーを通過した照明の波長による強度を示す図である。

【図9】サンプルに形成された第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークに照明が照射される方法を説明するための図である。

【図10】図５に示された第１の検出器で取得された第１のオーバーレイマークイメージを示す図である。

【図11】図５に示された第２の検出器で取得された第２のオーバーレイマークイメージを示す図である。

【図12】第１のオーバーレイマークイメージと第２のオーバーレイマークイメージとを組み合わせて得たイメージを示す図である。

【図13】本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲は以下に詳述する実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面における要素の形状などは、より明確な説明を強調するために誇張されたものであり、図面上において同一の符号で表示された要素は、同一の要素を意味する。

【0025】

図５は、本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置の概念図である。オーバーレイ測定装置は、半導体ウェハーなどのサンプルの互いに異なる層にそれぞれ形成された第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との誤差を測定して、互いに異なる層間のオーバーレイ誤差を測定する装置である。

【0026】

例えば、図９に示すように、第２のオーバーレイマークＯＭ２は、以前層に形成されたオーバーレイマークであり、第１のオーバーレイマークＯＭ１は、現在層に形成されたオーバーレイマークであり得る。オーバーレイマークは、半導体ウェハーのダイ（ｄｉｅ）領域に半導体デバイス形成のための層を形成すると同時に、スクライブレーン（ｓｃｒｉｂｅ ｌａｎｅ）に形成される。例えば、第２のオーバーレイマークＯＭ２は、絶縁膜パターンと共に形成され、第１のオーバーレイマークＯＭ１は、絶縁膜パターン上に形成されるフォトレジストパターンと共に形成され得る。

【0027】

このような場合、第１のオーバーレイマークＯＭ１は、外部に露出しているが、第２のオーバーレイマークＯＭ２は、フォトレジスト層によって覆われた状態であり、フォトレジスト材料からなる第１のオーバーレイマークＯＭ１とは光学的性質の異なる酸化物からなる。また、第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との焦点面は、互いに異なる。

【0028】

本発明は、第１のオーバーレイＯＭ１に焦点を合わせた状態で第１のオーバーレイマークＯＭ１をなす材料の光学的性質に適合したビームを用いて第１のオーバーレイマークイメージＩ１を取得する。そして、第２のオーバーレイマークＯＭ２に焦点を合わせた状態で第２のオーバーレイマークＯＭ２をなす材料の光学的性質に適合したビームを用いて第２のオーバーレイマークイメージＩ２を取得する。そして、これらの第１のオーバーレイマークイメージＩ２と第２のオーバーレイマークイメージＩ２を用いてオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定することができる。

【0029】

オーバーレイマークとしては、ボックスインボックス（ｂｏｘ ｉｎ ｂｏｘ、ＢＩＢ、図１参照）やＡＩＭ（ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）オーバーレイマークなど、現在使用されている様々な形態のオーバーレイマークを用いることができる。以下では、主に構造が単純なボックスインボックス形態のオーバーレイマークを基準に説明する。

【0030】

図５に示すように、本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置は、高さ差検出光学系１０と、照明光学系２０と、メインビームスプリッター３０と、第１の検出器４０と、第２の検出器５０と、結像光学系６０と、テレセントリック結像光学系７０と、を備える。

【0031】

高さ差検出光学系１０は、第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との高さ差Δｈを測定する役割を果たす。高さ差検出光学系１０は、様々な光学素子を用いて構成することができる。高さ差検出光学系１０は、オートフォーカス用光学系としても使用することができる。

【0032】

例えば、高さ差検出光学系１０は、図５に示すように、光源１１と、光源１１からのビームを平行にする視準器１３（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ ｌｅｎｓ）と、ビームスプリッター１５と、イメージセンサー１９と、を備えることができる。また、結像光学系６０、照明光学系４０及びテレセントリック結像光学系７０と共通に使用するホットミラー１７、ビームスプリッター３１及び対物レンズ３２をさらに備えることができる。

【0033】

光源１１としては、レーザーダイオードまたは発光ダイオードを用いることができる。 光源１１は赤外線波長帯域の光を生成することができる。

【0034】

光源１１で生成された光は、視準器１３、ビームスプリッター１５を透過する。光源１１としてレーザーを用いる場合には、ビームスプリッター１５として偏光ビームスプリッターを用いることができる。反射及び透過過程で光量が減少することを最小限に抑えることができるからである。

【0035】

ホットミラー１７は、赤外線波長帯域に属する光を反射させる役割を果たす。ホットミラー１７で反射された光は、ビームスプリッター３１を透過して対物レンズ３２に入射する。

【0036】

対物レンズ３２は、光をサンプルＳの表面の測定位置に集光させ、測定位置での反射された反射光を収集する役割を果たす。対物レンズ３２で収集された反射光は、再びビームスプリッター３１を透過した後、ホットミラー１７で反射される。ホットミラー１７で反射された反射光は、ビームスプリッター１５からイメージセンサー１９側へ反射された後、フォーカスレンズ１８によってイメージセンサー１９に集光する。赤外線波長帯域に属する光は、ホットミラー１７を透過しないので、第１の検出器４０には、高さ差の測定に使用される光が入射しない。

【0037】

イメージセンサー１９は、サンプルＳからの反射光を受光する。イメージセンサー１９は、ＣＣＤセンサー又はＣＭＯＳセンサーであり得る。イメージセンサー１９からの画像のコントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）を分析すると、焦点が合っているか否かを判断することができる。したがって、対物レンズ３２とサンプルＳとの間の距離による検出器１９からの光学信号を分析することにより、第１のオーバーレイマークＯＭ１に焦点が合ったときの対物レンズ３２の位置と、第２のオーバーレイマークＯＭ２に焦点が合ったときの対物レンズ３２の位置を見つけることができる。そして、これらの位置を比較すると、第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との高さ差Δｈを確認することができる。

【0038】

照明光学系２０は、オーバーレイマークに照明を照らす役割を果たす。照明光学系は、多様な光学要素を用いて構成することができる。例えば、図５に示すように、照明光学系２０は、照明源２１、ビームスプリッター２２、第１のカラーフィルター２４、第２のカラーフィルター２５、ミラー２３、２７、ビームコンバイナー（ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）２６、及び対物レンズ３２を備えることができる。

【0039】

照明源２１は、広い波長帯域の光を発生させる。照明源２１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、スーパーコンチニウムレーザー（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｌａｓｅｒ）、発光ダイオード、レーザー励起ランプ（ｌａｓｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｌａｍｐ）などを用いることができる。

【0040】

ビームスプリッター２２は、照明源２１から出たビームを２つのビームに分離させる役割を果たす。すなわち、ビームスプリッター２２は、照明源２１から出たビームの一部を透過させ、一部は反射させることにより、照明源２１から出たビームを２つのビームに分離させる。

【0041】

第１のカラーフィルター２４は、ビームスプリッター２２で分離されたビームのうち、ビームスプリッター２２を透過したビームの中心波長及びバンド幅を、現在層に形成された第１のオーバーレイマークＯＭ１の検出に適合するように調節する役割を果たす。例えば、第１のオーバーレイマークＯＭ１をなす物質に対する反射率が高くなるように中心波長を調節することができる。第１のカラーフィルター２４は、例えば、互いに並んで配置された複数の円形または線形の可変フィルターを含むことができる。

【0042】

図６は、図５に示された第１のカラーフィルターを通過した第１の照明の波長による強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す図である。図６に示すように、第１のカラーフィルター２４を通過した第１の照明は、中心波長が短くなり、バンド幅が減少する。

【0043】

第２のカラーフィルター２５は、ビームスプリッター２２で分離されたビームのうち、ビームスプリッター２２で反射されたビームの中心波長及びバンド幅を、以前層に形成された第２のオーバーレイマークＯＭ２の検出に適合するように調節する役割を果たす。例えば、第１のオーバーレイマークＯＭ１をなす物質に対する透過率が高く、オーバーレイマークＯＭ１をなす物質に対する反射率が高くなるように中心波長を調節することができる。第２のカラーフィルター２５は、例えば、互いに並んで配置された複数の円形または線形の可変フィルターを含むことができる。

【0044】

ビームスプリッター２２で反射されたビームは、ビームスプリッター２２と第２のカラーフィルター２５との間に設置されたミラー（ｍｉｒｒｏｒ）２３によって、第２のカラーフィルター２５に向かうようにビームの経路が変更される。

【0045】

図７は、図５に示された第２のカラーフィルターを通過した第２の照明の波長による強度を示す図である。図７に示すように、第２のカラーフィルター２５を通過した第２の照明は、中心波長が長くなり、バンド幅が減少する。

【0046】

ビームコンバイナー２６は、第１の照明と第２の照明とを合わせる役割を果たす。例えば、第１の照明はビームコンバイナー２６を透過し、第２の照明はミラー２７によってビームコンバイナー２６に向かうようにビームの経路が変更された後、ビームコンバイナー２６で反射され、ビームコンバイナー２６を透過した第１の照明と再び合わせられる。

【0047】

図８は、図５に示されたビームコンバイナーを通過した照明の波長による強度を示す図である。図８に示すように、ビームコンバイナー２６を通過した照明は、第１の照明の波長帯域と第２の照明の波長帯域の両方を含む。

【0048】

ビームコンバイナー２６で合わせられた照明は、リレーレンズ２８を経てビームスプリッター３１で反射されて対物レンズ３２に向かう。

【0049】

対物レンズ３２は、ビームスプリッター３１で反射された照明をサンプルＳの測定位置に集光させ、測定位置での反射されたビームを収集する役割を果たす。対物レンズ３２は、対物レンズ３２とサンプルＳとの距離を調節するためのレンズ焦点アクチュエータ３３（ｌｅｎｓ ｆｏｃｕｓ ａｃｔｕａｔｏｒ）に設置される。

【0050】

図９に示すように、第１の照明（実践）と第２の照明（破線）とが一緒にサンプルＳに照らされる。

【0051】

メインビームスプリッター３０は、対物レンズ３２で収集されたビームを２つのビームに分離する役割を果たす。メインビームスプリッター３０は、入射光をスペクトル的に区別される２つの出力ビームに分けるビームスプリッター３０であり得る。例えば、メインビームスプリッター３０は、チューブビームスプリッターとダイクロイックフィルター（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｆｉｌｔｅｒ）を含むことができる。ダイクロイックフィルターは、特定波長のビームを透過させるフィルターである。対物レンズ３２で収集されたビームは、ビームスプリッター３１とホットミラー１７を透過した後、メインビームスプリッター３０で２つのビームに分離される。すなわち、第１のオーバーレイマークＯＭ１検出用第１のビームと第２のオーバーレイマークＯＭ２検出用第２のビームに分離される。第１のビームは実質的に第１の照明と波長帯域が同一であってもよく、第２のビームは第２の照明と波長帯域が同一であってもよい。

【0052】

図６及び図７に示すように、第１のオーバーレイマークＯＭ１の検出に適合した第１の照明と、第２のオーバーレイマークＯＭ２の検出に適合した第２の照明とは、中心波長に差異があり、バンド幅が狭いので、ダイクロイックフィルターを用いて容易に２つのビームに分離させることができる。

【0053】

第１の検出器４０は、メインビームスプリッター３０で分離されたビームのうちの１つである第１のビームを受光して第１のオーバーレイマークイメージＩ１を生成する役割を果たす。

【0054】

図１０は、図５に示された第１の検出器で取得された第１のオーバーレイマークイメージＩ１を示す図である。図１０に示すように、第１の検出器４０で取得された第１のオーバーレイマークイメージＩ１は、第１のオーバーレイマークＯＭ１が鮮明に表示され、第２のオーバーレイマークＯＭ２はぼやけて表示される。第１のオーバーレイマークＯＭ１を基準に焦点が合わせられているからである。

【0055】

第２の検出器５０は、メインビームスプリッター３０で分離されたビームのうちのもう一つである第２のビームを受光して第２のオーバーレイマークイメージＩ２を生成する役割を果たす。

【0056】

第２の検出器５０は、第１の検出器４０と同期化されることができる。オーバーレイ測定過程における振動によって発生しうる誤差を最小限に抑えるためである。第１の検出器４０と第２の検出器５０との同期化は、例えば、検出器コントローラ８２でソフトウェア同期化信号を生成し、検出器４０、５０へ伝達する方法によって行われることができる。このとき、信号の遅延を防ぐために、生成された同期化信号は、光ケーブルを経て検出器４０、５０へ伝達されることができる。同期化信号は、別途の外部トリガーソースで生成されてもよい。

【0057】

図１１は、図５に示された第２の検出器で取得された第２のオーバーレイマークイメージＩ２を示す図である。図１１に示すように、第２の検出器５０で取得された第２のオーバーレイマークイメージＩ２は、第２のオーバーレイマークＯＭ２が鮮明に表示され、第１のオーバーレイマークＯＭ１はぼやけて表示される。テレセントリック結像光学系７０によって第２のオーバーレイマークＯＭ２が鮮明に表示されるように第２のビームの光路が調節されたからである。

【0058】

図１０のイメージと図１１のイメージとを位置合わせると、図１２に示すように、第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２の両方が鮮明に表示されたオーバーレイマークイメージを取得することができる。

【0059】

結像光学系６０は、第１のビームを第１の検出器４０に結像させる役割を果たす。

【0060】

図５に示すように、結像光学系６０は、チューブレンズ６５と第１の光学フィルター６８とを含むことができる。また、結像光学系６０は、他の光学系の対物レンズ３２、ビームスプリッター３１、ホットミラー１７、メインビームスプリッター３０も使用する。

【0061】

対物レンズ３２は、サンプルＳから反射された光を収集する。 対物レンズ３２で収集された光は、メインビームスプリッター３０で第１のビームと第２のビームに分割される。メインビームスプリッター３０を透過した第１のビームは、チューブレンズ６５によって第１の検出器４０に集光する。このとき、第１のオーバーレイマークを基準に焦点を合わせる。したがって、第１の検出器４０で生成された第１のオーバーレイマークイメージＩ１では、第１のオーバーレイマークＯＭ１が鮮明に表示され、第２のオーバーレイマークＯＭ２は相対的にぼやけて表示される。

【0062】

第１の光学フィルター６８は、第１の検出器４０の前段に配置され、第１のビームの中心波長及びバンド幅を第１のオーバーレイマークイメージＩ１取得用に二次調整する役割を果たす。 第１の光学フィルター６８は、線形の可変フィルターまたは回転型の可変フィルターであり得る。 いくつかの実施形態において、第１の光学フィルター６８は省略されてもよい。

【0063】

テレセントリック結像光学系７０は、第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との高さ差Δｈに基づいて第２のビームの光路長を調節して第２のビームを第２の検出器５０に結像させる役割を果たす。また、第２のビームの主光線が第２の検出器５０に垂直に入射するようにする役割を果たす。

【0064】

テレセントリック結像光学系７０は、光路調節部７５と、テレセントリックレンズ７７と、第２の光学フィルター７８と、を含む。

【0065】

光路調節部７５は、ミラー７１、７２、７３と、ミラーステージ７４と、制御器７９とを含む。ミラー７１、７２、７３は、メインビームスプリッター３０から反射された第２のビームを反射させて第２の検出器５０に入射させる役割を果たす。本実施形態において、光路調節部７５は３つのミラー７１、７２、７３を含む。

【0066】

いくつかの実施形態において、ミラーステージ７４は、図中の右側に配置される２つのミラー７１、７２を同時に直線移動させる役割を果たすことができる。これらの２つのミラー７１、７２を図面上の右側に移動させると、メインビームスプリッター３０とミラー７１との距離と、ミラー７２、７３同士間の距離が遠くなることにより、光路が長くなる。

【0067】

制御器７９は、高さ差Δｈに基づいてミラーステージ７４の移動距離を調節する役割を果たす。制御器７９は、第２のビームの全光路が第１のビームの全光路に比べて高さ差Δｈと第２のオーバーレイマークイメージＩ２の拡大倍率との積に基づいてミラーステージ７４を移動させる。第２のオーバーレイマークイメージＩ２の拡大倍率は、実際の第２のオーバーレイマークＯＭ２の大きさとイメージ上における第２のオーバーレイマークの大きさとの比率を意味する。

【0068】

いくつかの実施形態において、第２のオーバーレイマークイメージＩ２の拡大倍率は、第１のオーバーレイマークイメージＩ１の拡大比率と同一であってもよい。

【0069】

テレセントリックレンズ７７は、第２のビームの光路の距離とイメージの拡大倍率とを独立にする役割を果たす。テレセントリックレンズ７７は、光軸と第２のビームの主光線とが平行をなすと見なされるレンズである。テレセントリックレンズ７７は、メインビームスプリッター３０と第２の検出器５０との間に配置されることができる。例えば、メインビームスプリッター３０と光路調節部７５との間に配置されることができる。

【0070】

テレセントリックレンズ７７を用いるので、第２のビームの光路が変化しても、第２のオーバーレイマークイメージＩ２の拡大倍率を固定させることができる。したがって、測定された高さ差Δｈに比例してミラーステージ７４の移動距離を調節する方法で拡大倍率の変更なしに焦点を合わせることができる。第２の検出器５０で生成された第２のオーバーレイマークイメージＩ２では、第２のオーバーレイマークＯＭ２が鮮明に表示され、第１のオーバーレイマークＯＭ１は相対的にぼやけて表示される。

【0071】

第２の光学フィルター７８は、第２の検出器５０の前段に配置され、第２のビームの中心波長およびバンド幅を第２のオーバーレイマークイメージＩ２取得用に二次調整する役割を果たす。第２の光学フィルター７８は、線形の可変フィルターまたは回転型の可変フィルターであり得る。いくつかの実施形態において、第２の光学フィルター７８は省略されてもよい。

【0072】

以下では、上述したオーバーレイ測定装置を用いたオーバーレイ測定方法について説明する。

【0073】

図１３に示すように、オーバーレイ測定方法は、第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとの高さ差Δｈを検出するステップ（Ｓ１）と、サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすステップ（Ｓ２）と、オーバーレイマークからの反射光を２つのビームに分離させるステップ（Ｓ３）と、第１のビームを第１の検出器に結像させるステップ（Ｓ４）と、第２のビームの光路長を調節するステップ（Ｓ５）と、テレセントリックレンズを通過し、長さが調節された光路を経た第２のビームを第２の検出器に結像させるステップ（Ｓ６）と、第１の検出器で第１のオーバーレイマークイメージＩ１を生成し、第２の検出器で第２のオーバーレイマークイメージＩ２を生成するステップ（Ｓ７）と、を含む。

【0074】

第１のオーバーレイマークと第２のオーバーレイマークとの高さ差Δｈを検出するステップ（Ｓ１）では、コントラスト検出方式や位相差検出方式などのオートフォーカス装置のような高さ差検出光学系を用いて第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との高さ差Δｈを検出する。

【0075】

次に、照明光学系を用いてサンプル上のオーバーレイマークに照明を照らす（Ｓ２）。

【0076】

図９に示すように、照明は、第１のオーバーレイマークイメージＩ１の取得に適合した波長帯域と、第２のオーバーレイマークイメージＩ２の取得に適合した波長帯域とを含む照明であり得る。

【0077】

次に、オーバーレイマークからの反射光を２つのビームに分離させる（Ｓ３）。第１のビームは、第１のオーバーレイマークのイメージ取得に適合した波長帯域のビームであり、第２のビームは、第２のオーバーレイマークのイメージ取得に適合した波長帯域のビームであり得る。

【0078】

次に、第１のビームを第１の検出器に結像させる（Ｓ４）。

【0079】

本ステップでは、第１のオーバーレイマークＯＭ１のイメージ取得に適合した波長帯域の第１のビームを第１の検出器４０に結像させる。

【0080】

次に、第２のビームの光路長を調節する（Ｓ５）。

【0081】

本ステップでは、第２のオーバーレイマークＯＭ２に焦点が合うように、Ｓ１ステップで検出された高さ差Δｈに基づいて、第２のビームの光路長を調節する。第２のオーバーレイマークＯＭ２が下層に形成されるので、第２のビームの光路を増やさなければならない。

【0082】

次に、テレセントリックレンズを通過した第２のビームを第２の検出器に結像させる（Ｓ６）。

【0083】

本ステップでは、第２のオーバーレイマークＯＭ２のイメージ取得に適合した波長帯域の第２のビームを第２の検出器５０に結像させる。

【0084】

次に、第１の検出器から第１のオーバーレイマークイメージＩ１を生成し、第２の検出器から第２のオーバーレイマークイメージＩ２を生成する（Ｓ７）。

【0085】

本ステップでは、第１の検出器から第１のオーバーレイマークＯＭ１が鮮明に表示された第１のオーバーレイマークイメージＩ１を生成する。

【0086】

第１のオーバーレイマークＯＭ１と第２のオーバーレイマークＯＭ２との高さ差が大きいため、第１のオーバーレイマークＯＭ１に焦点が合うと、第２のオーバーレイマークＯＭ２には焦点が合わないので、第１のオーバーレイマークイメージＩ１では、第２のオーバーレイマークＯＭ２がぼやけて表示される。

【0087】

また、第２の検出器から第２のオーバーレイマークＯＭ２が鮮明に表示された第２のオーバーレイマークイメージＩ２を生成する。第２のオーバーレイマークイメージＩ２では、第１のオーバーレイマークＯＭ１がぼやけて表示される。

【0088】

テレセントリックレンズを通過したため、第２のビームの光路が変化しても、第２のオーバーレイマークイメージＩ２の拡大倍率が変化しない。テレセントリックレンズを使用しなければ、光路長の変化によって第２のオーバーレイマークイメージＩ２の拡大倍率が変化するので、第１のオーバーレイマークイメージＩ１と第２のオーバーレイマークイメージＩ２とを組み合わせてオーバーレイマークイメージを取得し難い。

【0089】

この場合、いくつかの実施形態において、第１のオーバーレイマークイメージＩ１と第２のオーバーレイマークイメージＩ２が同時に生成されるように第１の検出器４０と第２の検出器５０とが、同期化されることができる。オーバーレイ測定過程での振動によって発生しうる誤差を最小限に抑えるためである。

【0090】

そして、第１のオーバーレイマークイメージＩ１と第２のオーバーレイマークイメージＩ２とを用いてオーバーレイ誤差を測定する。

【0091】

以上で説明された実施形態は、本発明の好適な実施形態を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的思想及び特許請求の範囲内でこの分野の当業者によって様々な変更、修正または置換が可能であり、それらの実施形態は本発明の範囲に属するものと理解されるべきである。

【符号の説明】

【0092】

Ｓ サンプル
ＯＭ１ 第１のオーバーレイマーク
ＯＭ２ 第２のオーバーレイマーク
１０ 高さ差測定光学系
２０ 照明光学系
３０ メインビームスプリッター
４０ 第１の検出器
５０ 第２の検出器
６０ 結像光学系
７０ テレセントリック結像光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】