JP2002196223A - Optical detector for deviation of position - Google Patents
Optical detector for deviation of positionInfo
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- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば半導体ウ
エハなどの検査対象物上の検査対象マーク、たとえば重
ね合わせマークを観察して層間マークの位置ずれを検出
する光学的位置ずれ検出装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical position shift detecting device for detecting a position shift of an interlayer mark by observing an inspection mark, for example, an overlay mark, on an inspection object such as a semiconductor wafer.
【0002】[0002]
【従来の技術】ウエハに半導体パターンを形成するリソ
グラフィ工程では、異なったパターンが形成された複数
のレチクルが使用される。まず、1層用のパターンが形
成されているレチクルを透過するパターンの像でウエハ
の第1層レジストを露光して現像する。次いで、2層用
のパターンが形成されているレチクルを透過するパター
ンの像で、第1層パターンの上に塗布されている第2層
レジストを露光して現像する。このような露光現像処理
を複数回行ってウエハに所定のパターンが形成される。
このようなリソグラフィ工程にあっては、下層と上層の
パターン、たとえば第1層のパターンと第2層のパター
ンを正しい位置関係で形成する必要がある。2. Description of the Related Art In a lithography process for forming a semiconductor pattern on a wafer, a plurality of reticles having different patterns are used. First, the first layer resist on the wafer is exposed and developed with an image of a pattern transmitted through a reticle on which a pattern for one layer is formed. Next, the second-layer resist applied on the first-layer pattern is exposed and developed with an image of a pattern transmitted through the reticle on which the two-layer pattern is formed. By performing such exposure and development processing a plurality of times, a predetermined pattern is formed on the wafer.
In such a lithography process, it is necessary to form a lower layer and an upper layer pattern, for example, a first layer pattern and a second layer pattern in a correct positional relationship.
【0003】上下層のそれぞれのパターンが形成されて
いるレチクルには、本来のパターンに加えて重ね合わせ
マークも形成されている。下層パターンが形成されたウ
エハ上に上層パターンを形成したとき、下層パターンと
上層パターンとが正しい位置関係で形成されていれば、
上下2層の重ね合わせマークの相対位置関係、すなわち
位置ずれは所定の誤差範囲となる。上層パターンの現像
が終了するごとに、光学的位置ずれ検出装置により上記
相対位置関係を計測し、所定の誤差範囲から逸脱したウ
エハは不良品とする。On the reticle on which the respective patterns of the upper and lower layers are formed, an overlay mark is also formed in addition to the original pattern. When the upper layer pattern is formed on the wafer on which the lower layer pattern is formed, if the lower layer pattern and the upper layer pattern are formed in a correct positional relationship,
The relative positional relationship between the upper and lower overlay marks, that is, the positional deviation, is within a predetermined error range. Each time the development of the upper layer pattern is completed, the above-described relative positional relationship is measured by the optical misalignment detecting device, and a wafer that deviates from a predetermined error range is regarded as a defective product.
【0004】このような光学的位置ずれ検出装置として
特開平6−214150号公報に開示されているものが
知られている。この位置ずれ検出装置は、波長400〜
600nmの広帯域の照明光で測定する測定用光学系
と、波長800nmの単波長の照明光で焦点調節状態を
検出するAF用光学系とを有する。このように測定光学
系とAF光学系を分離することにより、測定系とAF系
に各々最適な照明NAに設定可能である。しかしなが
ら、測定用照明光とAF用照明光の波長域が異なると、
両光学系で共通の光学系で発生する収差が波長によって
異なるため、測定精度に影響を与える。そのため、上記
公報では、測定用照明光とAF用照明光の波長域をほぼ
一致させるようにした装置を開示している。A device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-214150 is known as such an optical displacement detecting device. This position shift detecting device has a wavelength of 400 to
It has a measurement optical system for measuring with 600 nm broadband illumination light and an AF optical system for detecting the focus adjustment state with a single wavelength of 800 nm illumination light. By separating the measurement optical system and the AF optical system in this manner, it is possible to set the illumination NA optimal for each of the measurement system and the AF system. However, if the measurement illumination light and the AF illumination light have different wavelength ranges,
Since the aberration generated by the common optical system differs between the two optical systems depending on the wavelength, it affects the measurement accuracy. Therefore, the above-mentioned publication discloses a device in which the wavelength ranges of the illumination light for measurement and the illumination light for AF are made to substantially coincide with each other.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、測定用
照明光とAF用照明光の波長域をほぼ一致させるように
した装置では、それぞれの照明光を単波長とすると、レ
ジストの膜厚ムラによる干渉条件の相違から、AF測定
精度が変動してしまうおそれがある。However, in an apparatus in which the wavelength ranges of the measurement illumination light and the AF illumination light are made substantially the same, if each illumination light has a single wavelength, interference due to unevenness in the thickness of the resist film. There is a possibility that the AF measurement accuracy fluctuates due to the difference in the conditions.
【0006】本発明の目的は、測定用光学系とAF用光
学系を分離して測定精度とAF感度を向上させるととも
に、レジストの膜厚などの干渉条件に影響を受けずに安
定したAF感度も維持することのできる光学的位置ずれ
検出装置を提供することにある。It is an object of the present invention to improve measurement accuracy and AF sensitivity by separating a measurement optical system and an AF optical system, and to achieve a stable AF sensitivity without being affected by interference conditions such as a resist film thickness. It is an object of the present invention to provide an optical displacement detecting device capable of maintaining the above-mentioned conditions.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】一実施の形態の図1に対
応づけて本発明を説明する。 (1)請求項1の発明による光学的位置ずれ検出装置
は、第1の波長帯域の測定用照明光を出射する測定用照
明光源1と、測定用照明光源1からの測定用照明光を検
査対象マーク20に照射する測定用照明光学系と、照明
された検査対象マーク20からの反射光を測定用光電変
換素子8上に結像させる測定用結像光学系と、測定用光
電変換素子8からの検出信号に基づいて、検査対象マー
ク20の位置ずれを検出する位置ずれ検出装置9と、第
1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域のAF用照明光
を出射するAF用照明光源40と、AF用照明光源40
からのAF用照明光を検査対象マーク20に照射するA
F用照明光学系と、照明された検査対象マーク20から
の反射光をAF用光電変換素子34上に結像させるAF
用結像光学系と、AF用光電変換素子34からの検出信
号に基づいて、AF結像光学系の検査対象マーク20に
対する焦点調節状態を検出する焦点調節状態検出装置3
5とを備えることを特徴とする。 (2)請求項2による光学的位置ずれ検出装置は、請求
項1の光学的位置ずれ検出装置において、測定用結像光
学系とAF用結像光学系とは共通に使用する光学系5〜
7を有し、少なくとも測定用およびAF用照明光の波長
の相違により両光学系の共通の光学系で発生する収差の
差を、AF用結像光学系のうち、測定用結像光学系と共
通でない光学系30,32,33で補償することを特徴
とする。 (3)請求項3による光学的位置ずれ検出装置は、請求
項1または2の光学的位置ずれ検出装置において、測定
用照明光学系の照明NAとAF用照明光学系の照明NA
を異なる値としたことを特徴とする。 (4)請求項4による光学的位置ずれ検出装置は、請求
項1〜3のいずれかの光学的位置ずれ検出装置におい
て、測定用照明光の波長帯域(たとえば600〜900
nm)をAF用照明光の波長帯域(たとえば450〜5
50nm)よりも長波長側に設定したことを特徴とす
る。 (5)請求項5による光学的位置ずれ検出装置は、請求
項1〜4のいずれかの光学的位置ずれ検出装置におい
て、測定用照明光およびAF用照明光の最短波長と最長
波長の比を1.2〜1.7としたことを特徴とする。The present invention will be described with reference to FIG. 1 showing one embodiment. (1) An optical displacement detecting apparatus according to the first aspect of the invention inspects a measurement illumination light source 1 for emitting measurement illumination light in a first wavelength band, and a measurement illumination light from the measurement illumination light source 1. A measurement illumination optical system for irradiating the target mark 20, a measurement imaging optical system for forming an illuminated reflected light from the inspection target mark 20 on the measurement photoelectric conversion element 8, and a measurement photoelectric conversion element 8 , An AF illumination light source that emits AF illumination light in a second wavelength band different from the first wavelength band, based on a detection signal from the device. 40 and the AF illumination light source 40
A that irradiates the AF target illumination light with the AF illumination light from
An illumination optical system for F, and an AF for forming an image of the reflected light from the illuminated inspection target mark 20 on the AF photoelectric conversion element 34
Adjustment state detecting device 3 that detects the focus adjustment state of the AF imaging optical system with respect to the inspection target mark 20 based on the detection signal from the AF imaging optical system and the AF photoelectric conversion element 34.
5 is provided. (2) The optical displacement detection apparatus according to claim 2 is the optical displacement detection apparatus according to claim 1, wherein the measurement imaging optical system and the AF imaging optical system are commonly used.
And at least a difference between aberrations generated in a common optical system of the two optical systems due to a difference between wavelengths of the measurement and AF illumination light is compared with a measurement imaging optical system of the AF imaging optical system. It is characterized in that compensation is performed by optical systems 30, 32, and 33 that are not common. (3) The optical displacement detection apparatus according to claim 3 is the optical displacement detection apparatus according to claim 1 or 2, wherein the illumination NA of the measurement illumination optical system and the illumination NA of the AF illumination optical system are different.
Are set to different values. (4) The optical displacement detection device according to claim 4 is the optical displacement detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the wavelength band of the illumination light for measurement (for example, 600 to 900).
nm) to the wavelength band of the illumination light for AF (for example, 450 to 5).
50 nm). (5) The optical displacement detecting apparatus according to claim 5 is the optical displacement detecting apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the ratio between the shortest wavelength and the longest wavelength of the measurement illumination light and the AF illumination light is determined. 1.2 to 1.7.
【0008】以上の課題を解決するための手段の項で
は、実施の形態の図を用いて発明を説明したが、これに
より本発明が実施の形態に限定されるものではない。In the section of the means for solving the above problems, the invention has been described with reference to the embodiments, but the invention is not limited to the embodiments.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】本発明による光学的位置ずれ検出
装置の実施の形態を図1に基づいて説明する。上述した
ように、半導体製造のリソグラフィ工程では、下層と上
層のパターン、たとえば第1層のパターンと第2層のパ
ターンを正しい位置関係で形成する必要がある。そこ
で、上下層のそれぞれの回路パターンに加えて、重ね合
わせマークも形成される。下層パターンが形成されたウ
エハ上に上層パターンを形成したとき、下層パターンと
上層パターンの重ね合わせマークの位置ずれを測定し、
上下2層の重ね合わせマークの相対位置関係、すなわち
位置ずれが所定の誤差範囲であれば、良品として次工程
へ搬送する。図1の光学的位置ずれ検出装置はこの位置
ずれを測定するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of an optical displacement detecting apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. As described above, in a lithography process of semiconductor manufacturing, it is necessary to form a lower layer and an upper layer pattern, for example, a first layer pattern and a second layer pattern in a correct positional relationship. Therefore, an overlay mark is formed in addition to the circuit patterns of the upper and lower layers. When the upper layer pattern is formed on the wafer on which the lower layer pattern is formed, the position shift of the overlay mark of the lower layer pattern and the upper layer pattern is measured,
If the relative positional relationship between the upper and lower overlay marks, that is, the positional deviation is within a predetermined error range, the mark is transported as a non-defective product to the next process. The optical displacement detecting device of FIG. 1 measures this displacement.
【0010】図1は、本発明の第1実施の形態による光
学的位置ずれ検出装置の構成を概略的に示す図である。
図1では、光学的位置ずれ検出装置の光軸AXに平行に
Z軸が、図1の紙面に垂直な方向にX軸が、Z軸および
X軸に垂直な方向にY軸がそれぞれ設定されている。FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an optical displacement detecting apparatus according to a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the Z-axis is set in parallel with the optical axis AX of the optical displacement detection device, the X-axis is set in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1, and the Y-axis is set in directions perpendicular to the Z-axis and X-axis. ing.
【0011】ウエハ21は、図示を省略したウエハホル
ダを介してZステージ22上においてXY平面とほぼ平
行に支持されている。Zステージ22は、ステージ制御
系36によって、光軸AXに沿って駆動される。Zステ
ージ22は図示しないXYステージ上に支持されてい
る。XYステージもステージ制御系36によって、光軸
AXに対して垂直なXY平面内において二次元的に駆動
される。The wafer 21 is supported on a Z stage 22 through a wafer holder (not shown) substantially parallel to the XY plane. The Z stage 22 is driven by the stage control system 36 along the optical axis AX. The Z stage 22 is supported on an XY stage (not shown). The XY stage is also two-dimensionally driven by the stage control system 36 in an XY plane perpendicular to the optical axis AX.
【0012】図1に示す光学的位置ずれ検出装置は、波
長600nm〜900nmの広帯域の測定用照明光AL
を供給する光源1を備えている。光源1から射出された
照明光は、照明開口絞り10で制限された後、コンデン
サレンズ2に入射する。コンデンサレンズ2を通過した
測定用照明光ALは、いったん集光された後、照明視野
絞り3を介して照明リレーレンズ4に入射する。照明リ
レーレンズ4には、図1(b)に示すような断面形状S
1を有する照明光束が入射する。照明リレーレンズ4に
より平行光となった測定用照明光ALは、ダイクロイッ
クミラー45を透過してビームスプリッタ5で下方に反
射される。下方に反射した測定用照明光ALは第1対物
レンズ6で集光され、ウエハ21上に形成された重ね合
わせマーク20を照明する。The optical displacement detecting apparatus shown in FIG. 1 is a broadband measuring illumination light AL having a wavelength of 600 nm to 900 nm.
Is provided. The illumination light emitted from the light source 1 is restricted by the illumination aperture stop 10 and then enters the condenser lens 2. The measurement illumination light AL that has passed through the condenser lens 2 is once collected, and then enters the illumination relay lens 4 via the illumination field stop 3. The illumination relay lens 4 has a cross-sectional shape S as shown in FIG.
An illumination light beam having 1 enters. The illumination light for measurement AL converted into parallel light by the illumination relay lens 4 passes through the dichroic mirror 45 and is reflected downward by the beam splitter 5. The measurement illumination light AL reflected downward is collected by the first objective lens 6 and illuminates the overlay mark 20 formed on the wafer 21.
【0013】このように、光源1、照明開口絞り10、
コンデンサレンズ2、照明視野絞り3、照明リレーレン
ズ4、ダイクロイックミラー45,ビームスプリッタ
5、および第1対物レンズ6は、重ね合わせマーク20
に照明光を照射するための測定用照明光学系を構成して
いる。As described above, the light source 1, the illumination aperture stop 10,
The condenser lens 2, the illumination field stop 3, the illumination relay lens 4, the dichroic mirror 45, the beam splitter 5, and the first objective lens 6
The illumination optical system for measurement for irradiating illumination light to the illumination device is constituted.
【0014】測定用照明光ALに対する重ね合わせマー
ク20からの反射光は、第1対物レンズ6を介してビー
ムスプリッタ5に入射する。ビームスプリッタ5で図中
上方に透過する光は、第2対物レンズ7により1次結像
面に重ね合わせマークの像を形成する。この像の光束
は、ダイクロイックミラー14を透過し、第1結像リレ
ーレンズ系12および第2結像リレーレンズ系13を介
してCCD8に入射する。第1結像リレーレンズ系12
および第2結像リレーレンズ系13の平行光路中には、
結像開口絞り11が配置されている。CCD8からの出
力信号は画像処理回路9に入力され、重ね合わせマーク
20の位置ずれ検出演算が行われる。The reflected light from the overlay mark 20 with respect to the measurement illumination light AL enters the beam splitter 5 via the first objective lens 6. The light transmitted upward in the drawing by the beam splitter 5 forms an image of an overlay mark on the primary image forming plane by the second objective lens 7. The light flux of this image passes through the dichroic mirror 14 and enters the CCD 8 via the first imaging relay lens system 12 and the second imaging relay lens system 13. First imaging relay lens system 12
And in the parallel optical path of the second imaging relay lens system 13,
An imaging aperture stop 11 is provided. The output signal from the CCD 8 is input to the image processing circuit 9, and the displacement of the overlay mark 20 is calculated.
【0015】このように、第1対物レンズ6、ビームス
プリッタ5、第2対物レンズ7、第1結像リレーレンズ
系12、ダイクロイックミラー14および第2結像リレ
ーレンズ系13、および結像開口絞り11は、照明光に
対する重ね合わせマークからの反射光に基づいてマーク
像を形成するための測定用結像光学系を構成している。As described above, the first objective lens 6, the beam splitter 5, the second objective lens 7, the first imaging relay lens system 12, the dichroic mirror 14, the second imaging relay lens system 13, and the imaging aperture stop. Numeral 11 constitutes a measurement imaging optical system for forming a mark image based on reflected light from an overlay mark with respect to illumination light.
【0016】図1に示す光学的位置ずれ検出装置は、波
長450nm〜550nmの広帯域のAF用照明光AF
Lを供給する光源40を備えている。光源40から射出
された照明光は、照明開口絞り41で制限された後、コ
ンデンサレンズ42に入射する。コンデンサレンズ42
を通過した照明光AFLは、いったん集光された後、照
明視野絞り43を介してAF照明リレーレンズ44に入
射する。照明リレーレンズ44には、図1(c)に示す
ような断面形状S2を有する照明光束が入射する。AF
照明リレーレンズ44により平行光となった照明光AF
Lは、ダイクロイックミラー45およびビームスプリッ
タ5で反射され、第1対物レンズ6で集光され、ウエハ
21上に形成された重ね合わせマーク20を照明する。The optical displacement detection apparatus shown in FIG. 1 is a broadband illumination light AF having a wavelength of 450 nm to 550 nm.
The light source 40 for supplying L is provided. The illumination light emitted from the light source 40 is restricted by the illumination aperture stop 41 and then enters the condenser lens 42. Condenser lens 42
After passing through the illumination light AFL, the light is once collected, and then enters the AF illumination relay lens 44 via the illumination field stop 43. An illumination light beam having a cross-sectional shape S2 as shown in FIG. AF
Illumination light AF converted into parallel light by the illumination relay lens 44
L is reflected by the dichroic mirror 45 and the beam splitter 5, condensed by the first objective lens 6, and illuminates the overlay mark 20 formed on the wafer 21.
【0017】このように、光源40、照明開口絞り4
1、コンデンサレンズ42、照明視野絞り43、照明リ
レーレンズ44、ダイクロイックミラー45、ビームス
プリッタ5および第1対物レンズ6は、重ね合わせマー
ク20にAF用照明光AFLを照射するためのAF用照
明光学系を構成している。As described above, the light source 40 and the illumination aperture stop 4
1. A condenser lens 42, an illumination field stop 43, an illumination relay lens 44, a dichroic mirror 45, a beam splitter 5, and a first objective lens 6 are AF illumination optics for irradiating the overlay mark 20 with AF illumination light AFL. Make up the system.
【0018】AF用照明光AFLに対する重ね合わせマ
ーク20からの反射光は、第1対物レンズ6を介してビ
ームスプリッタ5に入射する。ビームスプリッタ5で図
中上方に透過する光は、第2対物レンズ7により1次結
像面に重ね合わせマーク20の像を形成する。この像は
ダイクロイックミラー14で側方に反射され、AF第1
結像リレーレンズ系30から瞳分割ミラー31に入射す
る。瞳分割ミラー31は入射する重ね合わせマーク20
の像を一対の像に分割する。図1では一対の像の光束L
2l、L2rで示している。分割されたマーク像の光束
L2l、L2rはAF第2結像リレーレンズ系32およ
びシリンドリカルレンズ33を介してAF用CCD34
に入射する。シリンドリカルレンズ33は、図1(d)
からも分かるように、非計測方向(X軸方向)に屈折力
を有し、計測方向(Y軸方向)に屈折力を持たないよう
に配設される。AF用CCD34には、一対のマーク像
が所定の間隔をあけて像を結ぶ。The reflected light from the overlay mark 20 with respect to the AF illumination light AFL enters the beam splitter 5 via the first objective lens 6. The light transmitted upward in the drawing by the beam splitter 5 forms an image of the overlay mark 20 on the primary image forming plane by the second objective lens 7. This image is reflected laterally by the dichroic mirror 14 and the AF first
The light enters the pupil division mirror 31 from the imaging relay lens system 30. The pupil splitting mirror 31 receives the overlapping mark 20
Is divided into a pair of images. In FIG. 1, the light flux L of a pair of images is shown.
21 and L2r. The luminous fluxes L21 and L2r of the divided mark image are passed through an AF second imaging relay lens system 32 and a cylindrical lens 33 to an AF CCD 34.
Incident on. The cylindrical lens 33 is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 2, the light-emitting element is arranged so as to have a refractive power in the non-measurement direction (X-axis direction) and no refractive power in the measurement direction (Y-axis direction). A pair of mark images are formed on the AF CCD 34 at predetermined intervals.
【0019】このとき、図2(a)〜(c)に示すよう
に、前ピン状態、合焦状態、後ピン状態に応じて一対の
マーク像の間隔Lが変わる。AF信号処理回路35は、
AF用CCD34からの出力信号に基づいて間隔Lを算
出する。そして、あらかじめ記憶されている合焦状態に
おける間隔Lrと算出された間隔Lとの比較を行い、両
者の差を焦点位置情報としてステージ制御部36へ入力
する。ステージ制御部36は、入力された焦点位置情報
に基づいてZ軸ステージ22のZ軸方向の位置を移動
し、これにより、重ね合わせマーク20の像をCCD3
4に図2(b)に示す合焦状態で結像させる。At this time, as shown in FIGS. 2A to 2C, the distance L between the pair of mark images changes according to the front focus state, the focus state, and the rear focus state. The AF signal processing circuit 35
The interval L is calculated based on the output signal from the AF CCD. Then, a comparison is made between the previously stored interval Lr in the in-focus state and the calculated interval L, and the difference between the two is input to the stage control unit 36 as focal position information. The stage control unit 36 moves the position of the Z-axis stage 22 in the Z-axis direction based on the input focal position information, thereby transferring the image of the overlay mark 20 to the CCD 3.
4 forms an image in the focused state shown in FIG.
【0020】このような2光束によるAF検出方式の利
点は、スリットS1の非計測方向の長さを長く設定する
ことにより、スリットS2内の反射ムラを平均化する効
果と、瞳分割によるスリットS2内の測定マーク以外の
像の影響低減効果とが得られる。The advantages of such an AF detection system using two light beams are that, by setting the length of the slit S1 in the non-measurement direction to be long, the effect of averaging the reflection unevenness in the slit S2 and the slit S2 by pupil division. And the effect of reducing the influence of the image other than the measurement mark in the inside.
【0021】このように、第1対物レンズ6、ビームス
プリッタ5、第2対物レンズ7、ダイクロイックミラー
14、AF第1結像リレーレンズ系30、瞳分割ミラー
31、AF第2結像リレーレンズ系32およびシリンド
リカルレンズ33は、AF用照明光に対する重ね合わせ
マーク20からの反射光に基づいて焦点調節状態を検出
するためのAF用結像光学系を構成している。As described above, the first objective lens 6, the beam splitter 5, the second objective lens 7, the dichroic mirror 14, the AF first imaging relay lens system 30, the pupil division mirror 31, and the AF second imaging relay lens system The AF lens 32 and the cylindrical lens 33 constitute an AF imaging optical system for detecting a focus adjustment state based on reflected light from the overlay mark 20 with respect to AF illumination light.
【0022】図3(a)〜(c)は、上下の重ね合わせ
マーク20L、20Uの一例を示す図である。(a),
(b)は上地重ね合わせマーク20Uと下地重ね合わせ
マーク20Lとの位置ずれは、両者の中心線CLUとC
LLとのズレ量Rで示される。なお、下地表面に所定厚
さの透明膜が形成されている場合もある。AF結像光学
系を重ね合わせマーク20U,20Lのいずれに合焦さ
せるかは、重ね合わせマークの形状や厚みなどに応じて
適宜決定される。FIGS. 3A to 3C are views showing an example of the upper and lower overlay marks 20L and 20U. (A),
(B) shows the positional deviation between the upper overlay mark 20U and the lower overlay mark 20L, which are the center lines CLU and C of the two.
It is indicated by the amount R of deviation from LL. In some cases, a transparent film having a predetermined thickness is formed on the base surface. Which of the overlay marks 20U and 20L is focused by the AF imaging optical system is appropriately determined according to the shape and thickness of the overlay mark.
【0023】図4に示すように、たとえば第1〜第5シ
ョットSR1〜SR5の重ね合わせマークについてそれ
ぞれ重ね合わせズレ量Rを検出する。ここで、図4
(b)は(a)に対してウエハを180度回転させた状
態であり、この実施の形態では、図4(a)と図4
(b)の2つの方向、すなわち0度方向と180度方向
について、第1〜第5ショットSR1〜SR5の位置ず
れを検出する。そして、次式(1)により、測定誤差T
ISを算出する。 TIS=(R0+R180)/2 (1) R0は図4(a)に示す0度方向での位置ずれ量 R180は図4(b)に示す1800度方向での位置ずれ
量As shown in FIG. 4, for example, the overlay shift amount R is detected for each of the overlay marks of the first to fifth shots SR1 to SR5. Here, FIG.
4B shows a state where the wafer is rotated by 180 degrees with respect to FIG. 4A. In this embodiment, FIGS.
In the two directions (b), that is, the 0-degree direction and the 180-degree direction, the positional deviation of the first to fifth shots SR1 to SR5 is detected. Then, according to the following equation (1), the measurement error T
Calculate IS. TIS = (R0 + R180) / 2 (1) R0 is the amount of displacement in the 0-degree direction shown in FIG. 4A, and R180 is the amount of displacement in the 1800-degree direction shown in FIG. 4B.
【0024】以上のように構成した位置ずれ検出装置で
は、AF用照明光を波長450〜550nmの広帯域の
光とした。従来技術の欄で述べたように、AF用照明光
を単波長にすると、レジストの膜厚ムラによる干渉条件
の相違からAF精度が変動する。そこで、AF用照明光
を広帯域波長の光とし、レジストの膜厚ムラによる干渉
条件の差異を広帯域の波長光により分散させ、これによ
りAF精度の変動を抑制する。In the misalignment detecting device configured as described above, the AF illumination light is a wide band light having a wavelength of 450 to 550 nm. As described in the section of the related art, when the AF illumination light has a single wavelength, the AF accuracy fluctuates due to a difference in interference conditions due to unevenness in the thickness of the resist. Therefore, the illumination light for AF is made to be light of a broadband wavelength, and the difference in interference conditions due to unevenness in the thickness of the resist is dispersed by the light of the wideband wavelength, thereby suppressing a change in AF accuracy.
【0025】また、測定用照明光の波長を波長600〜
900nmの広帯域の光とした。たとえば、重ね合わせ
マーク(検査対象マーク)の段差が測定照明光の最短波
長側の波長と等しい600nmとすると、単波長600
nmではその段差は検出できない。しかし、波長600
nm〜900nmの間で単波長としても画像処理に十分
なコントラストが得られる。このような原理を用いて、
測定用照明光の最長波長を最短波長の1.5倍に設定
し、重ね合わせマークの段差が種々の値であってもコン
トラストが適当に大きくなるようにした。The wavelength of the illumination light for measurement is set to a wavelength of 600 to
The light was a broadband light of 900 nm. For example, if the step of the overlay mark (inspection target mark) is 600 nm, which is equal to the shortest wavelength side of the measurement illumination light, the single wavelength 600
In nm, the step cannot be detected. However, the wavelength 600
Even if a single wavelength is used between nm and 900 nm, a sufficient contrast for image processing can be obtained. Using such a principle,
The longest wavelength of the illumination light for measurement was set to 1.5 times the shortest wavelength so that the contrast was appropriately increased even if the level difference of the superimposed mark was various values.
【0026】換言すると、この実施の形態の位置ずれ検
出装置では測定用とAF用の2つの照明光に広帯域波長
の光をそれぞれ用いている。In other words, in the position shift detecting apparatus of this embodiment, light of a wide band wavelength is used for each of the two illumination lights for measurement and AF.
【0027】なお、AF用照明光の最長波長は最短波長
の1.2倍である。測定用照明光の波長は600〜90
0nmに限定されず、AF用照明光は450〜550n
mの波長に限定されない。測定用照明光およびAF用照
明光の最短波長と最長波長の比を1.2〜1.7とする
のが好ましい。また、AF用照明光の波長域を測定用照
明光の波長域よりも小さくした。The longest wavelength of the AF illumination light is 1.2 times the shortest wavelength. The wavelength of the illumination light for measurement is 600 to 90
The illumination light for AF is not limited to 0 nm, and is 450 to 550 n.
The wavelength is not limited to m. It is preferable that the ratio between the shortest wavelength and the longest wavelength of the illumination light for measurement and the illumination light for AF is 1.2 to 1.7. Further, the wavelength range of the AF illumination light was made smaller than the wavelength range of the measurement illumination light.
【0028】上述したように、測定用照明光を波長60
0〜900nm、AF用照明光を波長450〜550n
mの光としたので、測定用光学系とAF用光学系が共通
に使用する光学系、すなわち、対物レンズ6およびリレ
ーレンズ7で発生する収差が2つの光学系間で異なる。
そこで、AF用光学系のうち、AF第1結像リレーレン
ズ系30、AF第2結像リレーレンズ系32およびシリ
ンドリカルレンズ33により、波長の差によって発生す
る収差による影響を光学的に除去する。なお、AF用C
CD34からの信号により信号処理回路35が焦点調節
情報を演算する際に、この収差による影響を補正演算に
より除去するようにしてもよい。As described above, the illumination light for measurement has a wavelength of 60.
0 to 900 nm, AF illumination light of wavelength 450 to 550 n
Since the light is m, the aberrations generated by the optical system commonly used by the measurement optical system and the AF optical system, that is, the aberrations generated by the objective lens 6 and the relay lens 7 are different between the two optical systems.
Therefore, of the AF optical system, the influence of the aberration caused by the wavelength difference is optically removed by the AF first imaging relay lens system 30, the AF second imaging relay lens system 32, and the cylindrical lens 33. Note that C for AF
When the signal processing circuit 35 calculates the focus adjustment information based on the signal from the CD 34, the influence of this aberration may be removed by a correction calculation.
【0029】また以上のように構成した位置ずれ検出装
置では、図1に示すように、測定用照明光学系とAF用
照明光学系とを分離した。そして、それぞれの開口絞り
10とAF用照明光学系の開口絞り41を異なる大きさ
の開口とした。すなわち、測定用照明NAとAF用照明
NAを異なる値とした。このような構成を採用すること
により作用効果について説明する。Further, in the misalignment detecting device configured as described above, the illumination optical system for measurement and the illumination optical system for AF are separated as shown in FIG. Each of the aperture stops 10 and the aperture stop 41 of the AF illumination optical system have different sizes. That is, the measurement illumination NA and the AF illumination NA are set to different values. The operation and effect of adopting such a configuration will be described.
【0030】測定用照明光学系の開口絞り10の径は、
測定光学系に所望の解像度から要求される最適条件によ
って決定される。一方、AF感度は、上述した一対の光
束L2l,L2rの間隔の変化率(次式(2)参照)と
等価であり、AF用照明光学系の開口絞り41の径(照
明NA)を大きくすれば大きくなる。 AF感度=ΔL/ΔZ (2) ただし、ΔLは一対の光束L2l、L2rの間隔の変化
量 ΔZはZステージの単位移動量The diameter of the aperture stop 10 of the illumination optical system for measurement is
It is determined by the optimum condition required from the desired resolution of the measuring optical system. On the other hand, the AF sensitivity is equivalent to the change rate of the interval between the pair of light beams L21 and L2r (see the following equation (2)), and the diameter (illumination NA) of the aperture stop 41 of the AF illumination optical system is increased. It gets bigger. AF sensitivity = ΔL / ΔZ (2) where ΔL is the amount of change in the interval between the pair of light beams L21 and L2r ΔZ is the unit movement amount of the Z stage
【0031】図1の実施の形態では、AF用視野絞り4
3の領域内に存在する重ね合わせマーク周辺のパターン
による測定誤差を低減するため、AF用開口絞り41の
径を大きくする。この実施の形態では、AF用照明光学
系が測定用照明光学系とは独立しているため、照明NA
をAF(自動焦点調節)の感度が所望の値になるように
大きくしても、測定精度に影響を与えることはない。な
お、本実施の形態では、AF用照明NAは測定用照明N
Aよりも大きい。In the embodiment shown in FIG. 1, the AF field stop 4
The diameter of the AF aperture stop 41 is increased in order to reduce the measurement error due to the pattern around the overlay mark existing in the area 3. In this embodiment, since the AF illumination optical system is independent of the measurement illumination optical system, the illumination NA
Even if is increased so that the sensitivity of AF (automatic focus adjustment) becomes a desired value, the measurement accuracy is not affected. In the present embodiment, the AF illumination NA is the measurement illumination N
It is larger than A.
【0032】なお以上では、半導体素子製造プロセスに
おける重ね合わせマークの位置ずれ検出装置を一例とし
て説明した。しかしながら、本発明はその他の種々の位
置ずれ検出装置に適用できる。In the above description, an example of the apparatus for detecting a position shift of an overlay mark in a semiconductor element manufacturing process has been described. However, the present invention is applicable to various other misalignment detecting devices.
【0033】[0033]
【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。 (1)測定用照明光学系とAF用照明光学系とを分離し
たので、測定用照明光学系は測定精度によって決定され
る照明NAに設定し、AF用照明光学系はAF感度が高
くなるように照明NAを大きくすることができる。すな
わち、両者の照明NAを最適条件に設定することができ
る。 (2)AF用照明光を広帯域波長の光としたので、測定
対象の状況、たとえばレジスト膜の厚さに拘わらずAF
感度が変動することがない。 (3)測定用照明光を広帯域波長の光としたので、種々
の高さの段差を適度なコントラストで撮像することがで
きる。 (4)AF用照明光と測定用照明光の波長帯域が相違す
るので、両光学系で共通に使用する光学系内において波
長の差に起因して異なった収差が発生する。しかし、A
F用結像光学系のうち、測定用結像光学系と共通しない
光学系により、収差の差によるAF感度の影響を除去す
ることができる。According to the present invention, the following effects can be obtained. (1) Since the measurement illumination optical system and the AF illumination optical system are separated, the measurement illumination optical system is set to the illumination NA determined by the measurement accuracy, and the AF illumination optical system has a high AF sensitivity. Thus, the illumination NA can be increased. That is, both illumination NAs can be set to optimal conditions. (2) Since the AF illumination light is light of a broadband wavelength, AF light can be applied regardless of the situation of the measurement target, for example, the thickness of the resist film.
The sensitivity does not change. (3) Since the illumination light for measurement is light of a broadband wavelength, steps at various heights can be imaged with an appropriate contrast. (4) Since the wavelength bands of the AF illumination light and the measurement illumination light are different, different aberrations occur in the optical systems commonly used by both optical systems due to the wavelength difference. But A
Among the F imaging optical systems, an optical system that is not common to the measurement imaging optical system can remove the influence of the AF sensitivity due to the aberration difference.
【図1】本発明による光学的位置ずれ検出装置の実施の
形態を示す概略図FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of an optical displacement detection apparatus according to the present invention.
【図2】瞳分割による2光束AFを説明する図FIG. 2 is a diagram illustrating two-beam AF by pupil division;
【図3】ウエハ重ね合わせマークを説明する図FIG. 3 is a diagram illustrating a wafer overlay mark.
【図4】ウエハ上におけるウエハ重ね合わせマークの配
置例を模式的に示す図FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the arrangement of wafer overlay marks on a wafer;
1,40:光源 2:コンデン
サレンズ 4,12,13:リレーレンズ 6:対
物レンズ 8:測定用CCD 9,35:信号処理系 10:照明系開口絞り 11:結像系開口絞
り 20:重ね合わせマーク 21:ウエハ 22:Zステージ 30,32:結像リレーレ
ンズ 33:シリンドリカルレンズ 34:AF用CCD 36:ステージ制御系 41:AF開口絞り1, 40: light source 2: condenser lens 4, 12, 13: relay lens 6: objective lens 8: measurement CCD 9, 35: signal processing system 10: illumination system aperture stop 11: imaging system aperture stop 20: overlay Mark 21: Wafer 22: Z stage 30, 32: Imaging relay lens 33: Cylindrical lens 34: AF CCD 36: Stage control system 41: AF aperture stop
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA20 BB27 CC19 DD04 DD09 EE08 FF04 FF42 GG13 GG23 GG24 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 LL04 LL08 LL20 LL28 LL30 LL46 PP12 QQ28 2H051 AA10 BA72 CB06 CB11 CB14 CC03 CC13 5F046 FA03 FA06 FA10 FA20 FB08 FC03 FC04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA20 BB27 CC19 DD04 DD09 EE08 FF04 FF42 GG13 GG23 GG24 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 LL04 LL08 LL20 LL28 LL30 LL46 PP12 QQ28 2H051 AA10 BA72 CB06 FA03 CB06 FA03 CB06 FC03 FC04
Claims (5)
測定用照明光源と、 前記測定用照明光源からの測定用照明光を検査対象マー
クに照射する測定用照明光学系と、 照明された前記検査対象マークからの反射光を測定用光
電変換素子上に結像させる測定用結像光学系と、 前記測定用光電変換素子からの検出信号に基づいて、前
記検査対象マークの位置ずれを検出する位置ずれ検出装
置と、 第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域のAF用照明
光を出射するAF用照明光源と、 前記AF用照明光源からのAF用照明光を前記検査対象
マークに照射するAF用照明光学系と、照明された前記
検査対象マークからの反射光をAF用光電変換素子上に
結像させるAF用結像光学系と、前記AF用光電変換素
子からの検出信号に基づいて、前記AF結像光学系の前
記検査対象マークに対する焦点調節状態を検出する焦点
調節状態検出装置とを備えることを特徴とする光学的位
置ずれ検出装置。An illumination light source for measurement for emitting illumination light for measurement in a first wavelength band, an illumination optical system for measurement for irradiating illumination light for measurement from the illumination light source for measurement to a mark to be inspected, and illumination. A measurement imaging optical system for forming an image of the reflected light from the inspection target mark on the measurement photoelectric conversion element, and a displacement of the inspection target mark based on a detection signal from the measurement photoelectric conversion element. , An AF illumination light source that emits AF illumination light in a second wavelength band different from the first wavelength band, and an AF illumination light from the AF illumination light source. An AF illumination optical system for irradiating the target mark, an AF imaging optical system for imaging reflected light from the inspection target mark on the AF photoelectric conversion element, and an AF imaging optical system Based on the detection signal, Optical positional deviation detecting device, characterized in that it comprises a focusing state detecting device for detecting a focusing state with respect to the inspection target mark F imaging optical system.
て、 前記測定用結像光学系と前記AF用結像光学系とは共通
に使用する光学系を有し、 少なくとも前記測定用およびAF用照明光の波長の相違
により両光学系の共通の光学系で発生する収差の差を、
前記AF用結像光学系のうち、前記測定用結像光学系と
共通でない光学系で補償することを特徴とする光学的位
置ずれ検出装置。2. The optical displacement detection apparatus according to claim 1, wherein the measurement imaging optical system and the AF imaging optical system have an optical system commonly used, and at least the measurement and AF are used. The difference in aberrations generated in the common optical system of both optical systems due to the difference in the wavelength of the illumination light for
An optical displacement detection device, wherein the compensation is performed by an optical system that is not common to the measurement imaging optical system among the AF imaging optical systems.
置において、 前記測定用照明光学系の照明NAと前記AF用照明光学
系の照明NAを異なる値としたことを特徴とする光学的
位置ずれ検出装置。3. The optical displacement detecting apparatus according to claim 1, wherein the illumination NA of the measurement illumination optical system and the illumination NA of the AF illumination optical system have different values. Position shift detection device.
検出装置において、 前記測定用照明光の波長帯域を前記AF用照明光の波長
帯域よりも長波長側に設定したことを特徴とする光学的
位置ずれ検出装置。4. The optical displacement detection apparatus according to claim 1, wherein a wavelength band of the measurement illumination light is set to a longer wavelength side than a wavelength band of the AF illumination light. Optical position shift detecting device.
検出装置において、 前記測定用照明光および前記AF用照明光の最短波長と
最長波長の比を1.2〜1.7としたことを特徴とする
光学的位置ずれ検出装置。5. The optical displacement detection apparatus according to claim 1, wherein a ratio between a shortest wavelength and a longest wavelength of the measurement illumination light and the AF illumination light is 1.2 to 1.7. An optical misalignment detection device characterized in that:
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---|---|---|---|
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