(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-06-18
(54)【発明の名称】オーバーレイ測定装置
(51)【国際特許分類】
G03F 7/20 20060101AFI20240611BHJP
G02B 7/36 20210101ALI20240611BHJP
G02B 7/28 20210101ALI20240611BHJP
H01L 21/66 20060101ALI20240611BHJP
G03B 15/00 20210101ALI20240611BHJP
【ＦＩ】
G03F7/20 521
G02B7/36
G02B7/28 H
H01L21/66 J
G03B15/00 T
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023533303
(86)(22)【出願日】2022-10-20
(85)【翻訳文提出日】2023-05-31
(86)【国際出願番号】 KR2022016028
(87)【国際公開番号】W WO2023191213
(87)【国際公開日】2023-10-05
(31)【優先権主張番号】10-2022-0037874
(32)【優先日】2022-03-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(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】100109553
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 一郎
(72)【発明者】
【氏名】シン ヒョンギ
(72)【発明者】
【氏名】リュ ボギョン
(72)【発明者】
【氏名】コ チョンソン
(72)【発明者】
【氏名】パク ジンウ
【テーマコード（参考）】
2H151
2H197
4M106
【Ｆターム（参考）】
2H151AA00
2H151BA21
2H151BA47
2H151BA57
2H151CC02
2H151DA02
2H197JA17
2H197JA23
4M106AA01
4M106BA05
4M106CA39
4M106DB02
4M106DB07
4M106DB08
4M106DB12
4M106DB13
4M106DJ17
(57)【要約】
本発明は、オーバーレイ測定装置に関する。さらに詳細には、高さ差の大きい層間のオーバーレイ誤差を迅速に測定することが可能なオーバーレイ測定装置に関する。本発明は、ウェーハに形成された互いに異なる層にそれぞれ形成された対をなす第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークとの誤差を測定する装置であって、複数の焦点位置で対をなす第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークの整列イメージを取得するように構成されたイメージングシステムと、前記イメージングシステムに通信可能に結合された制御器と、を含む、オーバーレイ測定装置を提供する。本発明によるオーバーレイ測定装置は、高さ差の大きい層間のオーバーレイ誤差を迅速かつ正確に測定することができるという利点がある。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウェーハに形成された互いに異なる層にそれぞれ形成された対をなす第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークとの誤差を測定する装置であって、複数の焦点位置で対をなす第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークの整列イメージを取得するように構成されたイメージングシステムと、前記イメージングシステムに通信可能に結合された制御器と、を含み、
前記イメージングシステムは、
前記整列イメージの取得のための第１照明光を放射する第１光源と、
第２照明光を放射する第２光源と、
前記第１照明光と前記第２照明光を前記ウェーハの測定領域に集光させ、前記ウェーハの測定領域で反射された第１反射光と第２反射光とを収集する対物レンズと、
前記第１光源から出て前記ウェーハの測定領域で反射された前記第１反射光が集光して前記整列イメージが取得される第１検出器と、
前記第２光源から出て前記ウェーハの測定領域で反射された前記第２反射光によって前記焦点位置による信号を取得する第２検出器と、
前記焦点位置を調節するように前記ウェーハの測定領域と前記対物レンズとの距離を調節する第１アクチュエータと、を含み、
前記制御器は、命令語を実行するように構成されたプロセッサを含み、前記命令語は、前記プロセッサが、
ａ）測定領域における複数の焦点位置で前記イメージングシステムを介して取得された整列イメージを受信するステップと、
ｂ）前記整列イメージの前記第１オーバーレイマークのコントラスト（ｃｏｎｔｒａｓｔ）値の変化、及び前記第２オーバーレイマークのコントラスト値の変化に基づいて、測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ、ＭＦ）位置を決定するステップと、
ｃ）前記測定焦点位置における前記第２検出器からの信号値である基準信号値を取得するステップと、
ｄ）前記測定焦点位置で取得された整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定するステップと、を行うようにすることを特徴とする、オーバーレイ測定装置。
【請求項2】
前記制御器は、前記プロセッサが、ｅ）前記ステップａ）の測定領域とは異なる測定領域で前記第２検出器から取得された信号値を受信するステップと、
ｆ）前記ステップｅ）で受信された信号値と前記基準信号値とを比較するステップと、
ｇ）前記第２検出器から取得された信号値が前記基準信号値と異なる場合、前記第１アクチュエータを制御して焦点位置を変更するステップと、
ｈ）前記第２検出器から取得された信号値が前記基準信号値と一致する場合、前記イメージングシステムを介して取得された整列イメージを受信するステップと、
ｉ）前記ステップｈ）で受信した整列イメージである測定イメージに基づいて、オーバーレイ誤差を測定するステップと、を行うようにす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】
前記イメージングシステムは、前記第２光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記第２光源から放射された第２照明光を屈折させる光学レンズと、
前記第２光源と前記対物レンズとの間における前記光学レンズの位置を調節する第２アクチュエータと、をさらに含み、
前記制御器は、前記プロセッサが、
前記ステップｃ）の後に、
前記基準信号値を所定の基準信号値と比較するステップと、
前記基準信号値と前記所定の基準信号値とが異なる場合、前記第２アクチュエータを制御して前記光学レンズの位置を調節することにより、前記基準信号値を前記所定の基準信号値と一致させるステップと、をさらに行うようにす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4】
前記光学レンズが凸レンズである、請求項３に記載のオーバーレイ測定装置。
【請求項5】
前記ステップｂ）は、前記第１オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフの最大値と、前記第２オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の位置から測定焦点位置を見つけるステップである、請求項１に記載のオーバーレイ測定装置。
【請求項6】
前記ステップｂ）は、前記第１オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフと前記第２オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフとが交差する位置を測定焦点位置として見つけるステップである、請求項５に記載のオーバーレイ測定装置。
【請求項7】
前記第２検出器は、位相差方式の自動焦点センサモジュールであり、前記所定の基準信号値は、前記自動焦点センサモジュールで測定される位相差が最小化される値である、請求項３に記載のオーバーレイ測定装置。
【請求項8】
前記第２光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記第２光源から出た第２照明光のうち、長波長の光を前記対物レンズに向かって反射させるホットミラーをさらに含む、請求項１に記載のオーバーレイ測定装置。
【請求項9】
前記第２光源から出た第２照明光をラインビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）に変更するシリンダレンズをさらに含む、請求項１に記載のオーバーレイ測定装置。
【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に係り、さらに詳細には、高さ差の大きい層間のオーバーレイ誤差を迅速に測定することが可能なオーバーレイ測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
技術発展に伴って半導体デバイスのサイズが小さくなり、集積回路の密度の増加が求められている。これらの要件を満たすためには、さまざまな条件が満足されなければならず、その中でもオーバーレイ許容差は重要な指標の一つである。
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。集積回路をウェーハに形成するためには、特定の位置で所望の回路構造及び要素が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、ウェーハ上にパターン化された層を順次生成するようにする。このような繰り返し行わ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する誤差範囲内に整列されなければ、電気的に活性化されたパターン間に干渉が起こり、このような現象により、製造された回路の性能及び信頼度に問題が生じるおそれがある。これらの層間で整列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。
一般的なオーバーレイ計測及び方法は、２つの層間で整列が許容誤差内にあるかを測定及び検証する。その中の一つの方法によっ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、対称な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を計算してオーバーレイ誤差を導出する。
以下、ボックスインボックス（ｂｏｘ ｉｎ ｂｏｘ、ＢＩＢ）オーバーレイマークを用いて２つの層のオーバーレイを測定する方法について簡単に説明する。まず、図１及び図２に示すように、概ねボックス状の第１オーバーレイマークＯＭ１と、概ね第１オーバーレイマークＯＭ１に比べて小さいボックス状の第２オーバーレイマークＯＭ２を、連続した２つの層にそれぞれ形成する。そして、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２のイメージを一度に取得する。次に、図３に示すように、位置別強度の変化を示す波形を取得して、第１オーバーレイマークＯＭ１の中心値Ｃ１と第２オーバーレイマークＯＭ２の中心値Ｃ２をそれぞれ取得する。そして、これらを比較することにより、２つの層間のオーバーレイ誤差を測定する。
２つの層間の高さ差が大きくない場合には、自動焦点（ａｕｔｏｆｏｃｕｓ）センサを用いて焦点を自動的に合わせた後、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２の組み合わせイメージを一度に取得することができる。自動焦点センサを用いて検出した焦点は、組み合わせイメージの取得に最適化された焦点ではなくてもよいが、２つの層間の高さ差が大きくない場合には、あまり問題にはならない。
しかし、半導体工程技術の発展によって高さ差が大きく、光学的性質が異なる層間のオーバーレイ誤差を正確に測定する必要がある現在では、自動焦点センサを用いて取得された標準焦点（ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｃｕｓ）とさらに正確な測定のための測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ）との差が大きい可能性があるという問題点がある。例えば、自動焦点センサによる標準焦点は、現在層（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌａｙｅｒ）の上部に位置するが、測定焦点は、以前の層（ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｌａｙｅｒ）と現在層との間に位置することができる。このような場合、標準焦点で取得されたイメージを用いると、整列イメージにおいて以前層に形成された第１オーバーレイマークが鮮明ではないため、正確にオーバーレイ誤差を測定することができないという問題点がある。
かかる問題点を解決するために、図４及び図５に示すように、第１オーバーレイマークＯＭ１を焦点面（ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ）として得た信号の位置別強度の変化を示す波形を取得して、第１オーバーレイマークＯＭ１の中心値Ｃ１を取得し、第２オーバーレイマークＯＭ２を焦点面として得た信号の位置別強度の変化を示す波形を取得して、第２オーバーレイマークＯＭ２の中心値Ｃ２を取得することにより、２つの層間のオーバーレイ誤差を測定する方法が使用された。しかし、このような方法は、オーバーレイ誤差測定のために、毎回２回撮影しなければならないので、検査時間が長くなるという問題点があった。
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。集積回路をウェーハに形成するためには、特定の位置で所望の回路構造及び要素が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、ウェーハ上にパターン化された層を順次生成するようにする。このような繰り返し行わ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する誤差範囲内に整列されなければ、電気的に活性化されたパターン間に干渉が起こり、このような現象により、製造された回路の性能及び信頼度に問題が生じるおそれがある。これらの層間で整列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。
一般的なオーバーレイ計測及び方法は、２つの層間で整列が許容誤差内にあるかを測定及び検証する。その中の一つの方法によっ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、対称な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を計算してオーバーレイ誤差を導出する。
以下、ボックスインボックス（ｂｏｘ ｉｎ ｂｏｘ、ＢＩＢ）オーバーレイマークを用いて２つの層のオーバーレイを測定する方法について簡単に説明する。まず、図１及び図２に示すように、概ねボックス状の第１オーバーレイマークＯＭ１と、概ね第１オーバーレイマークＯＭ１に比べて小さいボックス状の第２オーバーレイマークＯＭ２を、連続した２つの層にそれぞれ形成する。そして、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２のイメージを一度に取得する。次に、図３に示すように、位置別強度の変化を示す波形を取得して、第１オーバーレイマークＯＭ１の中心値Ｃ１と第２オーバーレイマークＯＭ２の中心値Ｃ２をそれぞれ取得する。そして、これらを比較することにより、２つの層間のオーバーレイ誤差を測定する。
２つの層間の高さ差が大きくない場合には、自動焦点（ａｕｔｏｆｏｃｕｓ）センサを用いて焦点を自動的に合わせた後、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２の組み合わせイメージを一度に取得することができる。自動焦点センサを用いて検出した焦点は、組み合わせイメージの取得に最適化された焦点ではなくてもよいが、２つの層間の高さ差が大きくない場合には、あまり問題にはならない。
しかし、半導体工程技術の発展によって高さ差が大きく、光学的性質が異なる層間のオーバーレイ誤差を正確に測定する必要がある現在では、自動焦点センサを用いて取得された標準焦点（ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｃｕｓ）とさらに正確な測定のための測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ）との差が大きい可能性があるという問題点がある。例えば、自動焦点センサによる標準焦点は、現在層（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌａｙｅｒ）の上部に位置するが、測定焦点は、以前の層（ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｌａｙｅｒ）と現在層との間に位置することができる。このような場合、標準焦点で取得されたイメージを用いると、整列イメージにおいて以前層に形成された第１オーバーレイマークが鮮明ではないため、正確にオーバーレイ誤差を測定することができないという問題点がある。
かかる問題点を解決するために、図４及び図５に示すように、第１オーバーレイマークＯＭ１を焦点面（ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ）として得た信号の位置別強度の変化を示す波形を取得して、第１オーバーレイマークＯＭ１の中心値Ｃ１を取得し、第２オーバーレイマークＯＭ２を焦点面として得た信号の位置別強度の変化を示す波形を取得して、第２オーバーレイマークＯＭ２の中心値Ｃ２を取得することにより、２つの層間のオーバーレイ誤差を測定する方法が使用された。しかし、このような方法は、オーバーレイ誤差測定のために、毎回２回撮影しなければならないので、検査時間が長くなるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】韓国公開特許第２００３－００５４７８１号公報
【特許文献2】韓国特許第１０－０６８９７０９号公報
【特許文献3】韓国特許第１０－１５６４３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、上述した問題点を改善するためのものであり、高さ差の大きい層間のオーバーレイ誤差を迅速かつ正確に測定することができる新規なオーバーレイ測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記の目的を達成するために、本発明は、ウェーハに形成された互いに異なる層にそれぞれ形成された対をなす第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークとの誤差を測定する装置であって、複数の焦点位置で対をなす第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークの整列イメージを取得するように構成されたイメージングシステムと、前記イメージングシステムに通信可能に結合された制御器と、を含む、オーバーレイ測定装置を提供する。
ここで、前記イメージングシステムは、前記整列イメージの取得のための第１照明光を放射する第１光源と、第２照明光を放射する第２光源と、前記第１照明光と前記第２照明光を前記ウェーハの測定領域に集光させ、前記ウェーハの測定領域で反射された第１反射光と第２反射光とを収集する対物レンズと、前記第１光源から出て前記ウェーハの測定領域で反射された前記第１反射光が集光されて前記整列イメージが取得される第１検出器と、前記第２光源から出てウェーハの測定領域で反射された前記第２反射光によって前記焦点位置による信号を取得する第２検出器と、前記焦点位置を調節するように前記ウェーハの測定領域と前記対物レンズとの距離を調節する第１アクチュエータと、を含む。
前記制御器は、命令語を実行するように構成されたプロセッサを含み、前記命令語は、前記プロセッサが、ａ）測定領域における複数の焦点位置でイメージングシステムを介して取得された整列イメージを受信するステップと、ｂ）前記整列イメージの前記第１オーバーレイマークのコントラスト（ｃｏｎｔｒａｓｔ）値の変化、及び前記第２オーバーレイマークのコントラスト値の変化に基づいて、測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ、ＭＦ）位置を決定するステップと、ｃ）前記測定焦点位置における前記第２検出器からの信号値である基準信号値を取得するステップと、ｄ）前記測定焦点位置で取得された整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定するステップと、を行うようにする。
また、本発明は、前記制御器は、前記プロセッサが、ｅ）前記ステップａ）の測定領域とは異なる測定領域で前記第２検出器から取得された信号値を受信するステップと、ｆ）前記ステップｅ）で受信された信号値と前記基準信号値とを比較するステップと、ｇ）前記第２検出器から取得された信号値が前記基準信号値と異なる場合、前記第１アクチュエータを制御して焦点位置を変更するステップと、ｈ）前記第２検出器から取得された信号値が前記基準信号値と一致する場合、前記イメージングシステムを介して取得された整列イメージを受信するステップと、ｉ）前記ステップｈ）で受信した整列イメージである測定イメージに基づいて、オーバーレイ誤差を測定するステップを行うように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。
また、前記イメージングシステムが、前記第２光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記第２光源から放射された第２照明光を屈折させる光学レンズと、前記第２光源と前記対物レンズとの間における前記光学レンズの位置を調節する第２アクチュエータと、をさらに含み、前記制御器は、前記プロセッサが、前記ステップｃ）の後に、前記基準信号値を所定の基準信号値と比較するステップと、前記基準信号値と前記所定の基準信号値とが異なる場合、前記第２アクチュエータを制御して前記光学レンズの位置を調節することにより、前記基準信号値を前記所定の基準信号値と一致させるステップをさらに行うように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。
また、前記光学レンズが凸レンズである、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記ステップｂ）が、前記第１オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフの最大値と、前記第２オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の位置から測定焦点位置を見つけるステップである、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記ステップｂ）が、前記第１オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフと前記第２オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフとが交差する位置を測定焦点位置として見つけるステップである、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記第２検出器は、位相差方式の自動焦点センサモジュールであり、前記所定の基準信号値は、前記自動焦点センサモジュールで測定される位相差が最小化される値である、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記第２光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記第２光源から出た第２照明光のうち、長波長の光を前記対物レンズに向かって反射させるホットミラーをさらに含む、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記第２光源から出た第２照明光をラインビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）に変更するシリンダレンズをさらに含む、オーバーレイ測定装置を提供する。
ここで、前記イメージングシステムは、前記整列イメージの取得のための第１照明光を放射する第１光源と、第２照明光を放射する第２光源と、前記第１照明光と前記第２照明光を前記ウェーハの測定領域に集光させ、前記ウェーハの測定領域で反射された第１反射光と第２反射光とを収集する対物レンズと、前記第１光源から出て前記ウェーハの測定領域で反射された前記第１反射光が集光されて前記整列イメージが取得される第１検出器と、前記第２光源から出てウェーハの測定領域で反射された前記第２反射光によって前記焦点位置による信号を取得する第２検出器と、前記焦点位置を調節するように前記ウェーハの測定領域と前記対物レンズとの距離を調節する第１アクチュエータと、を含む。
前記制御器は、命令語を実行するように構成されたプロセッサを含み、前記命令語は、前記プロセッサが、ａ）測定領域における複数の焦点位置でイメージングシステムを介して取得された整列イメージを受信するステップと、ｂ）前記整列イメージの前記第１オーバーレイマークのコントラスト（ｃｏｎｔｒａｓｔ）値の変化、及び前記第２オーバーレイマークのコントラスト値の変化に基づいて、測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ、ＭＦ）位置を決定するステップと、ｃ）前記測定焦点位置における前記第２検出器からの信号値である基準信号値を取得するステップと、ｄ）前記測定焦点位置で取得された整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定するステップと、を行うようにする。
また、本発明は、前記制御器は、前記プロセッサが、ｅ）前記ステップａ）の測定領域とは異なる測定領域で前記第２検出器から取得された信号値を受信するステップと、ｆ）前記ステップｅ）で受信された信号値と前記基準信号値とを比較するステップと、ｇ）前記第２検出器から取得された信号値が前記基準信号値と異なる場合、前記第１アクチュエータを制御して焦点位置を変更するステップと、ｈ）前記第２検出器から取得された信号値が前記基準信号値と一致する場合、前記イメージングシステムを介して取得された整列イメージを受信するステップと、ｉ）前記ステップｈ）で受信した整列イメージである測定イメージに基づいて、オーバーレイ誤差を測定するステップを行うように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。
また、前記イメージングシステムが、前記第２光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記第２光源から放射された第２照明光を屈折させる光学レンズと、前記第２光源と前記対物レンズとの間における前記光学レンズの位置を調節する第２アクチュエータと、をさらに含み、前記制御器は、前記プロセッサが、前記ステップｃ）の後に、前記基準信号値を所定の基準信号値と比較するステップと、前記基準信号値と前記所定の基準信号値とが異なる場合、前記第２アクチュエータを制御して前記光学レンズの位置を調節することにより、前記基準信号値を前記所定の基準信号値と一致させるステップをさらに行うように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。
また、前記光学レンズが凸レンズである、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記ステップｂ）が、前記第１オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフの最大値と、前記第２オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の位置から測定焦点位置を見つけるステップである、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記ステップｂ）が、前記第１オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフと前記第２オーバーレイマークによるコントラスト値の変化グラフとが交差する位置を測定焦点位置として見つけるステップである、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記第２検出器は、位相差方式の自動焦点センサモジュールであり、前記所定の基準信号値は、前記自動焦点センサモジュールで測定される位相差が最小化される値である、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記第２光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記第２光源から出た第２照明光のうち、長波長の光を前記対物レンズに向かって反射させるホットミラーをさらに含む、オーバーレイ測定装置を提供する。
また、前記第２光源から出た第２照明光をラインビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）に変更するシリンダレンズをさらに含む、オーバーレイ測定装置を提供する。
【発明の効果】
【0006】
本発明によるオーバーレイ測定装置は、高さ差の大きい層間のオーバーレイ誤差を迅速かつ正確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】
【0007】
【図1】オーバーレイマークの平面図である。
【図6】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10】本発明の他の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11】光学レンズの位置による焦点位置の変化を説明するための図である。
【図12】光学レンズの位置による基準信号値の変化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
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、本発明の範囲が以下に上述の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、図面上において同じ符号で表示された要素は、同じ要素を意味する。
図６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、ウェーハｗに形成された互いに異なる層にそれぞれ形成された第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークとの誤差を測定する装置である。
例えば、図１及び図２に示すように、第１オーバーレイマークＯＭ１は、以前層（ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｌａｙｅｒ）に形成されたオーバーレイマークであり、第２オーバーレイマークＯＭ２は、現在層（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌａｙｅｒ）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、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）に形成する。例えば、第１オーバーレイマークＯＭ１は、絶縁膜パターンと共に形成され、第２オーバーレイマークＯＭ２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。
このような場合、第２オーバーレイマークＯＭ２は、外部に露出しているが、第１オーバーレイマークＯＭ１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２オーバーレイマークＯＭ２とは光学的性質が異なる酸化物からなる。また、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２とは、高さが互いに異なる。
オーバーレイマークとしては、ボックスインボックス（図１参照）、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使用することができる。
図６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１は、イメージングシステム１０と、イメージングシステム１０に通信可能に結合された制御器２０と、を含む。
イメージングシステム１０は、大きく、イメージ取得部１００と自動焦点部２００とを含む。
イメージ取得部１００は、複数の焦点位置で第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２とが一緒に表示されたイメージ（以下、「整列イメージ」という）を取得する役割を果たす。
イメージ取得部１００は、第１照明光をウェーハＷの測定領域に照射するために、第１光源１１１、第１ビームスプリッタ１１３、対物レンズ１１５、及び第１アクチュエータ１１７を備える。測定領域は、ウェーハＷのスクライブレーンにおいて第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２が形成された領域である。一つのウェーハＷには複数の測定領域が存在する。オーバーレイ測定装置１は、複数の測定領域でオーバーレイ誤差を測定する。
第１光源１１１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、発光ダイオードなどを用いることができる。第１光源１１１は、可視光線領域の第１照明光を生成する。
第１ビームスプリッタ１１３は、第１光源１１１から出た第１照明光の一部を反射させて対物レンズ１１５側に案内する役割を果たす。また、対物レンズ１１５で収集した第１反射光の一部を透過させる。
対物レンズ１１５は、第１ビームスプリッタ１１３から反射されたビームをウェーハＷの測定領域に集光させ、測定領域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１１５は、第１アクチュエータ１１７に設置される。
第１アクチュエータ１１７は、対物レンズ１１５とウェーハＷとの距離を調節してイメージ取得部１００の焦点位置を調節する役割を果たす。
また、イメージ取得部１００は、ウェーハＷの測定領域からの第１反射光を集光させて整列イメージを得るために、ホットミラー（ｈｏｔ ｍｉｒｒｏｒ）１２１、チューブレンズ１２３、及び第１検出器１３０を備える。
チューブレンズ１２３は、第１ビームスプリッタ１１３とホットミラー１２１を透過した第１反射光を第１検出器１３０に集光させる役割を果たす。
ホットミラー１２１は、紫外線を反射し、可視光線を透過させる。ホットミラー１２１は、第１検出器１３０に紫外線が入射するのを防止する。
第１検出器１３０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラであり得る。イメージ取得部１００は、第１検出器１３０からの電気信号を用いて、整列イメージを取得する。そして、この整列イメージを分析すると、オーバーレイ誤差を測定することができる。
自動焦点部２００は、対物レンズ１１５とウェーハＷとの距離に応じた信号を生成する役割を果たす。すなわち、イメージ取得部１００の焦点位置の変化に応じた信号を生成する役割を果たす。
自動焦点部２００は、第２照明光をウェーハＷの測定領域に照射するために、第２光源２１１と、第２光源２１１からの第２照明光を屈折させる光学レンズ２１２と、第２ビームスプリッタ２１３と、を備える。また、イメージ取得部１００のホットミラー１２１、第１ビームスプリッタ１１３及び対物レンズ１１５も使用する。
第２光源２１１としては、レーザ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。第２光源２１１は、赤外線領域の第２照明光を生成する。第２照明光は、光学レンズ２１２によって屈折された後に第２ビームスプリッタ２１３を透過した後、ホットミラー１２１から反射される。光学レンズ２１２としては凸レンズを用いることができる。第２照明光としてレーザを用いる場合には、第２ビームスプリッタ２１３として偏光ビームスプリッタを用いることが好ましい。これは、反射及び透過過程で光量が減少するのを最小限に抑えることができるからである。
そして、ホットミラー１２１から反射された第２照明光は、第１ビームスプリッタ１１３を透過した後、対物レンズ１１５に入射する。対物レンズ１１５は、第２照明光をウェーハＷの測定領域に集光させ、測定領域から反射された第２反射光を収集する役割を果たす。本発明は、１つの対物レンズ１１５を用いて第１照明光と第２照明光を集光させ、第１反射光と第２反射光を収集するという利点がある。
本発明では、第２照明光として、第１照明光とは波長帯域が異なる赤外線を使用し、ホットミラー１２１を用いて第２反射光と第１反射光とを分離することにより、第１検出器１３０への第２反射光の入射を防止する。
対物レンズ１１５で収集された第２反射光は、再び第１ビームスプリッタ１１３を透過した後にホットミラー１２１で反射される。赤外線はホットミラー１２１を透過しないので、赤外線領域の第２反射光が第１検出器１３０に入射しない。
ホットミラー１２１で反射された第２反射光は、第２ビームスプリッタ２１３から第２検出器２３０へ反射される。
第２検出器２３０としては、速度の速い従来の位相差方式の自動焦点センサモジュールを用いることができる。例えば、ビームスプリッタ、マイクロレンズ、一対のフォトダイオードを含む位相差方式の自動焦点センサモジュールを用いることができる。第２検出器２３０は、対物レンズ１１５とウェーハＷとの距離に応じた信号を生成する役割を果たす。例えば、イメージ取得部の焦点が「標準焦点」と一致する場合には、第２検出器２３０に出力される信号値である位相差値が０であり、一致しない場合には、焦点の位置に応じて＋または－値であり得る。「標準焦点」とは、第２検出器２３０の信号に基づいて決定されたイメージ取得部の焦点である。「標準焦点」は、実際の整列イメージの取得に適した「測定焦点」と一致してもよいが、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２との高さ差が大きい場合には、殆ど互いに異なる。「測定焦点」の測定方法については後述する。
制御器２０は、イメージングシステム１０に有線または無線で通信可能に結合される。制御器２０は、プロセッサやメモリなどのハードウェアと、メモリにインストールされたソフトウェアとを含む。制御器２０は、ソフトウェアの命令語を介してプロセッサが図７のステップを行うように指示する。
図７は、図６に示されたオーバーレイ測定装置の作用を説明するためのフローチャートである。まず、整列イメージを受信するステップＳ１について説明する。
このステップでは、制御器２０が、複数の焦点位置でイメージングシステム１０を介して取得された整列イメージを受信する。整列イメージは、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２とを含む。整列イメージは、第１アクチュエータ１１７を用いて焦点位置を連続的に変更しながら取得することができる。
次に、測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ、ＭＦ）位置を決定するステップＳ２について説明する。測定焦点位置は、複数の整列イメージのうち、オーバーレイ誤差の測定のために使用される整列イメージである測定イメージを取得するときに使用される焦点位置である。すなわち、オーバーレイ誤差の測定に最適化された焦点位置である。
制御器２０は、焦点位置に応じた整列イメージの第１オーバーレイマークＯＭ１のコントラスト値の変化、及び第２オーバーレイマークＯＭ２のコントラスト値の変化に基づいて測定焦点位置を決定することができる。
図８に示すように、第１オーバーレイマークＯＭ１のコントラスト値と第２オーバーレイマークＯＭ２のコントラスト値は、焦点位置（対物レンズとウェーハとの距離）に応じて変更される。第１オーバーレイマークＯＭ１は、先に形成された以前層に位置するので、ウェーハＷと対物レンズ１１５との距離が近い焦点位置でコントラスト値が最大値を有する。第２オーバーレイマークＯＭ２は、以前層の上に形成された現在層に位置するので、ウェーハＷと対物レンズ１１５との距離が遠い焦点位置でコントラスト値が最大値を有する。
測定焦点位置は、例えば、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフの最大値と、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の位置から見つけることができる。例えば、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフと、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフがと交差する位置を測定焦点位置として定めることができる。また、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフの最大値と、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフの最大値との平均値を測定焦点位置として定めることもできる。
場合によっては、測定焦点位置は、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフの最大値と、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の区間の外部に位置してもよい。
次に、基準信号値を取得するステップＳ３について説明する。
図９に示すように、このステップにおいて、制御器２０は、測定焦点位置における第２検出器２３０からの信号値である基準信号値を取得する。測定焦点位置が標準焦点位置と一致する場合には、第２検出器２３０からの信号値である位相値は０になる。測定焦点位置が標準焦点位置と一致しない場合には、特定の位相値を有し、この値が基準信号値となる。
次に、オーバーレイ誤差を測定するステップＳ４について説明する。
このステップでは、測定焦点位置で取得された整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定する。測定イメージを用いてオーバーレイ誤差を測定する方法は、従来の技術であるので、詳細な説明を省略する。
次に、他の測定領域で第２検出器から取得された信号値を受信するステップＳ５について説明する。
一つのウェーハには、多数の測定領域に第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２の対が形成される。よって、本発明によるオーバーレイ測定装置は、多数の測定領域でオーバーレイ誤差を測定する。本発明によるオーバーレイ測定装置は、特に、多数の測定領域でオーバーレイ誤差を測定するときに速度が速いという利点がある。
この段階で、制御器２０は、基準信号値を取得した最初測定領域とは異なる測定領域で第２検出器２３０から取得された信号値を受信する。
次に、ステップＳ５で受信された信号値と基準信号値とを比較するステップＳ６について説明する。
この段階で、制御器２０は、Ｓ５段階で受信された信号値と基準信号値とを比較する。理想的であれば、ステップＳ５で受信された信号値と基準信号値とが一致するが、ウェーハＷの位置別にバラツキがあるので、受信された信号値と基準信号値とが互いに異なる可能性がある。
次いで、焦点位置を変更するステップＳ７について説明する。
この段階で、制御器２０は、第２検出器２３０から取得された信号値が基準信号値と一致するように第１アクチュエータを制御して焦点位置を変更する。このステップでは、ウェーハＷの位置別バラツキを考慮して、最初測定領域とは異なる現在測定領域での焦点位置を測定焦点位置に変更する。
本発明では、このように、最初測定領域で一度だけ整列イメージのコントラスト値の変化を介して測定焦点位置を見つけると、他の測定領域では、第２検出器２３０からの信号値を用いて測定焦点位置を迅速に見つけることができるという利点がある。
次に、整列イメージを受信するステップＳ８について説明する。
このステップで、制御器２０は、イメージングシステム１０を制御して整列イメージを取得する。そして、取得された整列イメージを受信する。
次に、ステップＳ８で受信した整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定するステップＳ９について説明する。このステップでは、ステップＳ４と同様に、測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定する。
上述したＳ５～Ｓ８ステップは、測定領域別に繰り返し行われる。
最初測定領域では、焦点位置による複数の整列イメージを取得し、これらの整列イメージの第１オーバーレイマークＯＭ１のコントラスト値の変化、及び第２オーバーレイマークＯＭ２のコントラスト値の変化に基づいて測定焦点位置を決定する。よって、オーバーレイ誤差の測定には長い時間がかかる。
しかし、他の測定領域では、第２検出器２３０から取得された信号値と基準信号値とを比較して第１アクチュエータ１１７を制御することにより、測定焦点位置に速やかに移動させることができるので、オーバーレイ誤差を迅速に測定することができる。よって、複数の測定領域でオーバーレイ誤差を迅速に測定することができる。
図１０は、本発明の他の実施形態によるオーバーレイ測定装置を示す概念図である。
図１０に示されたオーバーレイ測定装置２のイメージングシステム３０は、自動焦点部３００が第２アクチュエータ２１７とシリンダレンズ２１５とをさらに含むという点でのみ、図６に示された実施形態のイメージングシステム１０とは異なる。
第２アクチュエータ２１７は、第２光源２１１と対物レンズ１１５との間における光学レンズ２１２の位置を調節する。図１１に示すように、光学レンズ２１２の位置が調節されると、自動焦点部３００の焦点位置が変更される。これにより、第２検出器２３０から取得される信号値も変化し、これにより、図１２に示すように、基準信号値も変化する。
シリンダレンズ２１５は、光学レンズ２１２と対物レンズ１１５との間に配置される。シリンダレンズ２１５としては、矩形、正方形、円形、楕円形などの様々な外形のシリンダレンズ２１５を用いることができる。シリンダレンズ２１５は、点ではなく、線に光の焦点を合わせたレンズである。シリンダレンズ２１５は、ラインビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）を形成する役割を果たす。ラインビームを使用すると、光学収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）により敏感度が上昇することにより、さらに精巧な測定が可能であるという利点がある。
制御器４０は、プロセッサが、Ｓ３ステップとＳ５ステップとの間で、図１３に示された下記のステップをさらに行うようにするという点で、図７に示されたオーバーレイ測定装置の作用とは異なる。
まず、さらに行われるステップのうち、基準信号値を所定の基準信号値と比較するステップＳ１１について説明する。
このステップでは、ステップＳ３で確認された基準信号値を所定の基準信号値と比較する。例えば、第２検出器２３０から出力される基準信号値は位相差値であってもよく、所定の基準信号値は０であってもよい。
基準信号値が所定の基準信号値と同じである場合、ステップＳ４へ移行する。ステップＳ１１がステップＳ４の後に行われると、ステップＳ５へ移行する。図１３では、ステップＳ３とステップＳ４との間にステップＳ１１が行われることを示している。
基準信号値と所定の基準信号値とが異なる場合、第２アクチュエータ２１７を制御して光学レンズ２１２の位置を調節することにより、基準信号値を所定の基準信号値と一致させるステップＳ１２をさらに行う。すなわち、このステップでは、イメージ取得部１００の焦点位置が測定焦点位置に調整されたとき、第２検出器２３０における基準信号値が所定の基準信号値と一致するように光学レンズ２１２の位置を調節する。所定の基準信号値は、第２検出器２３０の精度が最も高い区間に属する信号値となる。例えば、第２検出器２３０が位相差方式の自動焦点センサモジュールである場合、基準信号値は、０または０に隣接した値となる。位相差方式の自動焦点センサモジュールは、位相差の大きい区間では精度が低下するので、位相差の大きい区間で第２検出器２３０の信号値を基準にイメージ取得部１００の焦点位置を測定焦点位置に調整すると誤りが生じる可能性があるという点で、本実施形態が図６及び図７の実施形態に比べて有利である。
所定の基準信号値は、特定の１つの値であってもよいが、一定の範囲に属する任意の値を基準信号値として定めてもよい。例えば、基準信号値が、第２検出器２３０の精度が確保される０±αの範囲内に入ると、その値を基準信号値とし、光学レンズの位置を調節しなくてもよい。
ステップＳ１２の後には、ステップＳ４（またはステップＳ５）を行う。以後のステップは、図７に示されているステップと同じである。
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く、本発明の技術的思想と特許請求の範囲内で当該分野の当業者によって様々な変更、変形または置換が可能であり、それらの実施形態も本発明の範囲に属すると理解されるべきである。
図６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、ウェーハｗに形成された互いに異なる層にそれぞれ形成された第１オーバーレイマークと第２オーバーレイマークとの誤差を測定する装置である。
例えば、図１及び図２に示すように、第１オーバーレイマークＯＭ１は、以前層（ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｌａｙｅｒ）に形成されたオーバーレイマークであり、第２オーバーレイマークＯＭ２は、現在層（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌａｙｅｒ）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、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）に形成する。例えば、第１オーバーレイマークＯＭ１は、絶縁膜パターンと共に形成され、第２オーバーレイマークＯＭ２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。
このような場合、第２オーバーレイマークＯＭ２は、外部に露出しているが、第１オーバーレイマークＯＭ１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２オーバーレイマークＯＭ２とは光学的性質が異なる酸化物からなる。また、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２とは、高さが互いに異なる。
オーバーレイマークとしては、ボックスインボックス（図１参照）、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使用することができる。
図６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１は、イメージングシステム１０と、イメージングシステム１０に通信可能に結合された制御器２０と、を含む。
イメージングシステム１０は、大きく、イメージ取得部１００と自動焦点部２００とを含む。
イメージ取得部１００は、複数の焦点位置で第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２とが一緒に表示されたイメージ（以下、「整列イメージ」という）を取得する役割を果たす。
イメージ取得部１００は、第１照明光をウェーハＷの測定領域に照射するために、第１光源１１１、第１ビームスプリッタ１１３、対物レンズ１１５、及び第１アクチュエータ１１７を備える。測定領域は、ウェーハＷのスクライブレーンにおいて第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２が形成された領域である。一つのウェーハＷには複数の測定領域が存在する。オーバーレイ測定装置１は、複数の測定領域でオーバーレイ誤差を測定する。
第１光源１１１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、発光ダイオードなどを用いることができる。第１光源１１１は、可視光線領域の第１照明光を生成する。
第１ビームスプリッタ１１３は、第１光源１１１から出た第１照明光の一部を反射させて対物レンズ１１５側に案内する役割を果たす。また、対物レンズ１１５で収集した第１反射光の一部を透過させる。
対物レンズ１１５は、第１ビームスプリッタ１１３から反射されたビームをウェーハＷの測定領域に集光させ、測定領域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１１５は、第１アクチュエータ１１７に設置される。
第１アクチュエータ１１７は、対物レンズ１１５とウェーハＷとの距離を調節してイメージ取得部１００の焦点位置を調節する役割を果たす。
また、イメージ取得部１００は、ウェーハＷの測定領域からの第１反射光を集光させて整列イメージを得るために、ホットミラー（ｈｏｔ ｍｉｒｒｏｒ）１２１、チューブレンズ１２３、及び第１検出器１３０を備える。
チューブレンズ１２３は、第１ビームスプリッタ１１３とホットミラー１２１を透過した第１反射光を第１検出器１３０に集光させる役割を果たす。
ホットミラー１２１は、紫外線を反射し、可視光線を透過させる。ホットミラー１２１は、第１検出器１３０に紫外線が入射するのを防止する。
第１検出器１３０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラであり得る。イメージ取得部１００は、第１検出器１３０からの電気信号を用いて、整列イメージを取得する。そして、この整列イメージを分析すると、オーバーレイ誤差を測定することができる。
自動焦点部２００は、対物レンズ１１５とウェーハＷとの距離に応じた信号を生成する役割を果たす。すなわち、イメージ取得部１００の焦点位置の変化に応じた信号を生成する役割を果たす。
自動焦点部２００は、第２照明光をウェーハＷの測定領域に照射するために、第２光源２１１と、第２光源２１１からの第２照明光を屈折させる光学レンズ２１２と、第２ビームスプリッタ２１３と、を備える。また、イメージ取得部１００のホットミラー１２１、第１ビームスプリッタ１１３及び対物レンズ１１５も使用する。
第２光源２１１としては、レーザ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。第２光源２１１は、赤外線領域の第２照明光を生成する。第２照明光は、光学レンズ２１２によって屈折された後に第２ビームスプリッタ２１３を透過した後、ホットミラー１２１から反射される。光学レンズ２１２としては凸レンズを用いることができる。第２照明光としてレーザを用いる場合には、第２ビームスプリッタ２１３として偏光ビームスプリッタを用いることが好ましい。これは、反射及び透過過程で光量が減少するのを最小限に抑えることができるからである。
そして、ホットミラー１２１から反射された第２照明光は、第１ビームスプリッタ１１３を透過した後、対物レンズ１１５に入射する。対物レンズ１１５は、第２照明光をウェーハＷの測定領域に集光させ、測定領域から反射された第２反射光を収集する役割を果たす。本発明は、１つの対物レンズ１１５を用いて第１照明光と第２照明光を集光させ、第１反射光と第２反射光を収集するという利点がある。
本発明では、第２照明光として、第１照明光とは波長帯域が異なる赤外線を使用し、ホットミラー１２１を用いて第２反射光と第１反射光とを分離することにより、第１検出器１３０への第２反射光の入射を防止する。
対物レンズ１１５で収集された第２反射光は、再び第１ビームスプリッタ１１３を透過した後にホットミラー１２１で反射される。赤外線はホットミラー１２１を透過しないので、赤外線領域の第２反射光が第１検出器１３０に入射しない。
ホットミラー１２１で反射された第２反射光は、第２ビームスプリッタ２１３から第２検出器２３０へ反射される。
第２検出器２３０としては、速度の速い従来の位相差方式の自動焦点センサモジュールを用いることができる。例えば、ビームスプリッタ、マイクロレンズ、一対のフォトダイオードを含む位相差方式の自動焦点センサモジュールを用いることができる。第２検出器２３０は、対物レンズ１１５とウェーハＷとの距離に応じた信号を生成する役割を果たす。例えば、イメージ取得部の焦点が「標準焦点」と一致する場合には、第２検出器２３０に出力される信号値である位相差値が０であり、一致しない場合には、焦点の位置に応じて＋または－値であり得る。「標準焦点」とは、第２検出器２３０の信号に基づいて決定されたイメージ取得部の焦点である。「標準焦点」は、実際の整列イメージの取得に適した「測定焦点」と一致してもよいが、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２との高さ差が大きい場合には、殆ど互いに異なる。「測定焦点」の測定方法については後述する。
制御器２０は、イメージングシステム１０に有線または無線で通信可能に結合される。制御器２０は、プロセッサやメモリなどのハードウェアと、メモリにインストールされたソフトウェアとを含む。制御器２０は、ソフトウェアの命令語を介してプロセッサが図７のステップを行うように指示する。
図７は、図６に示されたオーバーレイ測定装置の作用を説明するためのフローチャートである。まず、整列イメージを受信するステップＳ１について説明する。
このステップでは、制御器２０が、複数の焦点位置でイメージングシステム１０を介して取得された整列イメージを受信する。整列イメージは、第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２とを含む。整列イメージは、第１アクチュエータ１１７を用いて焦点位置を連続的に変更しながら取得することができる。
次に、測定焦点（ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｃｕｓ、ＭＦ）位置を決定するステップＳ２について説明する。測定焦点位置は、複数の整列イメージのうち、オーバーレイ誤差の測定のために使用される整列イメージである測定イメージを取得するときに使用される焦点位置である。すなわち、オーバーレイ誤差の測定に最適化された焦点位置である。
制御器２０は、焦点位置に応じた整列イメージの第１オーバーレイマークＯＭ１のコントラスト値の変化、及び第２オーバーレイマークＯＭ２のコントラスト値の変化に基づいて測定焦点位置を決定することができる。
図８に示すように、第１オーバーレイマークＯＭ１のコントラスト値と第２オーバーレイマークＯＭ２のコントラスト値は、焦点位置（対物レンズとウェーハとの距離）に応じて変更される。第１オーバーレイマークＯＭ１は、先に形成された以前層に位置するので、ウェーハＷと対物レンズ１１５との距離が近い焦点位置でコントラスト値が最大値を有する。第２オーバーレイマークＯＭ２は、以前層の上に形成された現在層に位置するので、ウェーハＷと対物レンズ１１５との距離が遠い焦点位置でコントラスト値が最大値を有する。
測定焦点位置は、例えば、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフの最大値と、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の位置から見つけることができる。例えば、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフと、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフがと交差する位置を測定焦点位置として定めることができる。また、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフの最大値と、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフの最大値との平均値を測定焦点位置として定めることもできる。
場合によっては、測定焦点位置は、第１オーバーレイマークＯＭ１によるコントラスト値の変化グラフの最大値と、第２オーバーレイマークＯＭ２によるコントラスト値の変化グラフの最大値との間の区間の外部に位置してもよい。
次に、基準信号値を取得するステップＳ３について説明する。
図９に示すように、このステップにおいて、制御器２０は、測定焦点位置における第２検出器２３０からの信号値である基準信号値を取得する。測定焦点位置が標準焦点位置と一致する場合には、第２検出器２３０からの信号値である位相値は０になる。測定焦点位置が標準焦点位置と一致しない場合には、特定の位相値を有し、この値が基準信号値となる。
次に、オーバーレイ誤差を測定するステップＳ４について説明する。
このステップでは、測定焦点位置で取得された整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定する。測定イメージを用いてオーバーレイ誤差を測定する方法は、従来の技術であるので、詳細な説明を省略する。
次に、他の測定領域で第２検出器から取得された信号値を受信するステップＳ５について説明する。
一つのウェーハには、多数の測定領域に第１オーバーレイマークＯＭ１と第２オーバーレイマークＯＭ２の対が形成される。よって、本発明によるオーバーレイ測定装置は、多数の測定領域でオーバーレイ誤差を測定する。本発明によるオーバーレイ測定装置は、特に、多数の測定領域でオーバーレイ誤差を測定するときに速度が速いという利点がある。
この段階で、制御器２０は、基準信号値を取得した最初測定領域とは異なる測定領域で第２検出器２３０から取得された信号値を受信する。
次に、ステップＳ５で受信された信号値と基準信号値とを比較するステップＳ６について説明する。
この段階で、制御器２０は、Ｓ５段階で受信された信号値と基準信号値とを比較する。理想的であれば、ステップＳ５で受信された信号値と基準信号値とが一致するが、ウェーハＷの位置別にバラツキがあるので、受信された信号値と基準信号値とが互いに異なる可能性がある。
次いで、焦点位置を変更するステップＳ７について説明する。
この段階で、制御器２０は、第２検出器２３０から取得された信号値が基準信号値と一致するように第１アクチュエータを制御して焦点位置を変更する。このステップでは、ウェーハＷの位置別バラツキを考慮して、最初測定領域とは異なる現在測定領域での焦点位置を測定焦点位置に変更する。
本発明では、このように、最初測定領域で一度だけ整列イメージのコントラスト値の変化を介して測定焦点位置を見つけると、他の測定領域では、第２検出器２３０からの信号値を用いて測定焦点位置を迅速に見つけることができるという利点がある。
次に、整列イメージを受信するステップＳ８について説明する。
このステップで、制御器２０は、イメージングシステム１０を制御して整列イメージを取得する。そして、取得された整列イメージを受信する。
次に、ステップＳ８で受信した整列イメージである測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定するステップＳ９について説明する。このステップでは、ステップＳ４と同様に、測定イメージに基づいてオーバーレイ誤差を測定する。
上述したＳ５～Ｓ８ステップは、測定領域別に繰り返し行われる。
最初測定領域では、焦点位置による複数の整列イメージを取得し、これらの整列イメージの第１オーバーレイマークＯＭ１のコントラスト値の変化、及び第２オーバーレイマークＯＭ２のコントラスト値の変化に基づいて測定焦点位置を決定する。よって、オーバーレイ誤差の測定には長い時間がかかる。
しかし、他の測定領域では、第２検出器２３０から取得された信号値と基準信号値とを比較して第１アクチュエータ１１７を制御することにより、測定焦点位置に速やかに移動させることができるので、オーバーレイ誤差を迅速に測定することができる。よって、複数の測定領域でオーバーレイ誤差を迅速に測定することができる。
図１０は、本発明の他の実施形態によるオーバーレイ測定装置を示す概念図である。
図１０に示されたオーバーレイ測定装置２のイメージングシステム３０は、自動焦点部３００が第２アクチュエータ２１７とシリンダレンズ２１５とをさらに含むという点でのみ、図６に示された実施形態のイメージングシステム１０とは異なる。
第２アクチュエータ２１７は、第２光源２１１と対物レンズ１１５との間における光学レンズ２１２の位置を調節する。図１１に示すように、光学レンズ２１２の位置が調節されると、自動焦点部３００の焦点位置が変更される。これにより、第２検出器２３０から取得される信号値も変化し、これにより、図１２に示すように、基準信号値も変化する。
シリンダレンズ２１５は、光学レンズ２１２と対物レンズ１１５との間に配置される。シリンダレンズ２１５としては、矩形、正方形、円形、楕円形などの様々な外形のシリンダレンズ２１５を用いることができる。シリンダレンズ２１５は、点ではなく、線に光の焦点を合わせたレンズである。シリンダレンズ２１５は、ラインビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）を形成する役割を果たす。ラインビームを使用すると、光学収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）により敏感度が上昇することにより、さらに精巧な測定が可能であるという利点がある。
制御器４０は、プロセッサが、Ｓ３ステップとＳ５ステップとの間で、図１３に示された下記のステップをさらに行うようにするという点で、図７に示されたオーバーレイ測定装置の作用とは異なる。
まず、さらに行われるステップのうち、基準信号値を所定の基準信号値と比較するステップＳ１１について説明する。
このステップでは、ステップＳ３で確認された基準信号値を所定の基準信号値と比較する。例えば、第２検出器２３０から出力される基準信号値は位相差値であってもよく、所定の基準信号値は０であってもよい。
基準信号値が所定の基準信号値と同じである場合、ステップＳ４へ移行する。ステップＳ１１がステップＳ４の後に行われると、ステップＳ５へ移行する。図１３では、ステップＳ３とステップＳ４との間にステップＳ１１が行われることを示している。
基準信号値と所定の基準信号値とが異なる場合、第２アクチュエータ２１７を制御して光学レンズ２１２の位置を調節することにより、基準信号値を所定の基準信号値と一致させるステップＳ１２をさらに行う。すなわち、このステップでは、イメージ取得部１００の焦点位置が測定焦点位置に調整されたとき、第２検出器２３０における基準信号値が所定の基準信号値と一致するように光学レンズ２１２の位置を調節する。所定の基準信号値は、第２検出器２３０の精度が最も高い区間に属する信号値となる。例えば、第２検出器２３０が位相差方式の自動焦点センサモジュールである場合、基準信号値は、０または０に隣接した値となる。位相差方式の自動焦点センサモジュールは、位相差の大きい区間では精度が低下するので、位相差の大きい区間で第２検出器２３０の信号値を基準にイメージ取得部１００の焦点位置を測定焦点位置に調整すると誤りが生じる可能性があるという点で、本実施形態が図６及び図７の実施形態に比べて有利である。
所定の基準信号値は、特定の１つの値であってもよいが、一定の範囲に属する任意の値を基準信号値として定めてもよい。例えば、基準信号値が、第２検出器２３０の精度が確保される０±αの範囲内に入ると、その値を基準信号値とし、光学レンズの位置を調節しなくてもよい。
ステップＳ１２の後には、ステップＳ４（またはステップＳ５）を行う。以後のステップは、図７に示されているステップと同じである。
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く、本発明の技術的思想と特許請求の範囲内で当該分野の当業者によって様々な変更、変形または置換が可能であり、それらの実施形態も本発明の範囲に属すると理解されるべきである。
【符号の説明】
【0009】
ＯＭ１ 第１オーバーレイマーク
ＯＭ２ 第２オーバーレイマーク
１、２ オーバーレイ測定装置
１０、３０ イメージングシステム
２０、４０ 制御器
１００ イメージ取得部
１１１ 第１光源
１１５ 対物レンズ
１１７ 第１アクチュエータ
１２１ ホットミラー
１３０ 第１検出器
２００、３００ 自動焦点部
２１１ 第２光源
２１２ 光学レンズ
２１５ シリンダレンズ
２１７ 第２アクチュエータ
２３０ 第２検出器
ＯＭ２ 第２オーバーレイマーク
１、２ オーバーレイ測定装置
１０、３０ イメージングシステム
２０、４０ 制御器
１００ イメージ取得部
１１１ 第１光源
１１５ 対物レンズ
１１７ 第１アクチュエータ
１２１ ホットミラー
１３０ 第１検出器
２００、３００ 自動焦点部
２１１ 第２光源
２１２ 光学レンズ
２１５ シリンダレンズ
２１７ 第２アクチュエータ
２３０ 第２検出器
【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】
【国際調査報告】