JP2004264127A

JP2004264127A - Mark position detector

Info

Publication number: JP2004264127A
Application number: JP2003054058A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukui; 達雄福井; Takeshi Endo; 剛遠藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mark position detector for detecting the position of a mark with high accuracy and reducing measurement error, TIS, independently of color (wavelength). <P>SOLUTION: This mark position detector comprises an illumination optical system 10 for irradiating illumination light to a measurement mark 63 and an imaging optical system 20 for forming an image of the measurement mark 63 at an imaging device 30 by converging reflected light from the measurement mark 63, and measures displacement of the measurement mark by processing an image signal obtained by the imaging device 30. The optical system 10 is provided with an optical element 13 for compensating a difference in asymmetry of the image signal depending on the wavelength of the illumination light. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被検基板上に設けられた重ね合わせマークやアライメントマーク等のマーク位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、半導体製造工程のフォトリソグラフィ工程において形成されたレジストパターンと下地パターンとの重ね合わせずれ量を測定する必要がある。このような重ね合わせずれ量を測定する、重ね合わせ測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１の開示例では、測定マークに対して照明光を照射し、測定マークからの反射光を結像光学系により結像して、ＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像して、画像処理を経て重ね合わせずれ量を測定している。この際、照明光の波長帯域は、多種多様な測定マークの構造に対して安定した反射強度を得るために、可視光領域から近赤外光領域までの広い領域が用いられている。
【０００４】
ところで、このように光学的に重ね合わせずれ測定を行う場合、測定光学系（すなわち、測定マークに照明光を照射する照明光学系および測定マークからの反射光を集光結像させる結像光学系）に光学的な収差が発生することが避けられず、このような収差、特に光軸に対して非回転対称な収差が測定視野領域内に存在すると、測定マークの位置の検出に誤差が生じ、その結果、重ね合わせずれ測定値に測定誤差ＴＩＳ（ＴｏｏｌＩｎｄｕｃｅｄＳｈｉｆｔ）が生ずる。
【０００５】
このため、重ね合わせずれ測定装置を用いて重ね合わせずれ測定を行う前に、この装置の測定光学系に用いられている照明開口絞り、結像開口絞り、対物レンズなどの位置調整を行って、測定誤差ＴＩＳを小さくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−７７２９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の技術においては、測定装置の光学部品を配置する際の製造誤差の影響により、照明光学系における対物レンズ仮想瞳位置での照明開口絞りの結像位置が照明光の波長により異なってしまう。これは照明光束の主光線の傾斜（以後、照明テレセントリシティーと記す）が色（波長）によって異なり、測定マークの反射分光特性によっては測定誤差ＴＩＳ発生の原因となる。また、結像光学系においても光学部品を配置する際の製造誤差等の影響により、結像光学系における結像開口絞り位置での仮想瞳の結像位置が照明光の波長により異なってしまう。これは反射光の波長領域によっては測定マークからの回折光が非対称にケラレることを意味しており、測定マークの反射分光特性によっては測定誤差ＴＩＳ発生の原因となるといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みて行われたものであり、照明光の色（波長）によらず測定誤差ＴＩＳを小さくでき、高い精度でマーク位置検出が可能なマーク位置検出装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記照明光学系に設けたことを特徴とするマーク位置検出装置を提供する。
【００１０】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記光学素子は、前記照明光学系の平行光束部分に設けられていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記結像光学系の平行光束部分に設けたことを特徴とするマーク位置検出装置を提供する。
【００１２】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記光学素子は、平行平面板からなることが好ましい。
【００１３】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記光学素子は、チルト機構を有する平行平面板からなることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光学系に第１光学素子および前記結像光学系の平行光束部分に第２光学素子を設けて、前記照明光あるいは前記反射光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正することを特徴とするマーク位置検出装置を提供する。
【００１５】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記第１光学素子および前記第２光学素子は、平行平面板からなることが好ましい。
【００１６】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記第１光学素子および前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることが好ましい。
【００１７】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記第１光学素子または前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に付いて図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるマーク位置検出装置の概略構成図である。図２は、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における、照明光学系の光学部材のチルト誤差による、照明テレセントリシティーのずれの一例を示す図である。図３は、照明光束が傾斜した際の、測定マークプロファイルを示す図であり、（ａ）は、測定マークの断面を示し、入射光の色（波長）の違いによる入射方向の違いを模式的に示した図であり、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す図である。図４は、平行平面板の作用を模式的に示す図であり、（ａ）は、平行平板が傾斜していないときの青色光束、赤色光束それぞれの光路を示し、（ｂ）は平行平面板が傾斜しているときの青色光束、赤色光束それぞれの光路をそれぞれ示す図である。図５は、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における、結像光学系の光学部材のチルト誤差による結像の、色（波長）による非対称の一例を示す図である。図６は、測定マークからの反射光の色（波長）の違いによる測定マークプロファイルの非対称を示す図であり、（ａ）は、測定マークの断面を示し、反射光の色（波長）の違いを模式的に示した図、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す図である。図７は、Ｑ値特性曲線を測定する際に用いられるマークの一例であり、（ａ）はＬ／Ｓマークを示す平面図、（ｂ）はＬ／Ｓマークの断面図、（ｃ）はＬ／Ｓマークの画像信号強度プロファイルを示す図である。図８は、Ｑ値特性曲線の一例を示し、（ａ）は結像開口絞り、図８（ｂ）は第２対物レンズ、図８（ｃ）は結像開口絞りと第２対物レンズの合成Ｑ値特性曲線をそれぞれ示す図である。
【００１９】
図１において、図示するように、紙面に垂直な方向をＸ軸方向、紙面上で左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向と定義する。
【００２０】
本実施の形態にかかるマーク位置検出装置は、ステージ６１と、ステージ６１に載置した測定マークを照明する照明光学系１０と、測定マークからの反射光を集光して結像する結像光学系２０と、結像光学系２０により結像された像を撮影する撮影装置３０と、撮影装置３０により得られた撮影画像の画像信号を処理する画像処理装置４０と、撮像装置３０上に測定マークの像を焦点合わせするオートフォーカス（ＡＦ）装置５０とを備えている。
【００２１】
図１に示すマーク位置測定装置は、ウエハ６２の上に形成された測定マーク６３におけるレジストマークの重ね合わせずれを測定するものであり、測定に際してウエハ６２は、回転および水平移動（Ｘ−Ｙ方向移動）可能で、且つ上下移動（Ｚ方向移動）可能に構成されたステージ６１の上に載置される。このようなステージの移動制御のためステージ制御部６４が設けられている。測定マーク６３は、ウエハ６２の下地パターンの上に所定のレジストパターンをフォトリソグラフィ工程により形成させるときに、例えば図３（ａ）に示すように、ウエハ６２の各ショット領域の端部に形成された矩形状の下地マーク６３ｂの上に矩形状のレジストマーク６３ａを形成して作られており、本実施の形態に係るマーク位置検出装置により、下地マーク６３ｂに対するレジストマーク６３ａの重ね合わせずれを測定する。
【００２２】
照明光源１１から射出した白色光からなる照明光束は、照明開口絞り１２によって照明光束径が制限され、照明光学系平行平面板（以後、第１平行平面板と記す）１３を透過し、コンデンサーレンズ１４によって集光され視野絞り１５を均一に照明する。
【００２３】
視野絞り１５は図１中に斜線を施して示すように、略長方形の開口部Ｓ１を有している。なお、開口部Ｓ１を図１中に拡大して示しているが、図示のようにＸ軸およびＺ軸に対して略４５度傾けて配置され、ＸＺ平面内で図中ＡおよびＢで示す方向に移動可能に構成されている。なお、この照明光学系１０において、照明開口絞り１２の位置調整（Ｘ−Ｚ方向の位置）を行う機構（図示せず）が設けられている。
【００２４】
視野絞り１５を射出した照明光束は照明リレーレンズ１６によってコリメートされ、平行光束となり、第１ビームスプリッター１７に入射する。第１ビームスプリッタ１７において反射された照明光束は−Ｚ方向（図中、下方）に反射され、第１対物レンズ１８によって集光されてステージ６１に載置されたウエハ６２の測定マーク６３を垂直に照射する。このように、照明光学系１０は、照明光の主光線の傾き（照明テレセントリシティー）がウエハ６２に対して垂直となるように構成されている。ここで視野絞り１５と測定マーク６３とは、照明光学系１０において共役な位置に配設されており、ウエハ６２の測定マーク６３に対して、開口絞り１５の開口部Ｓ１の形状に対応する略長方形の領域が照明光により照射される。また、第１対物レンズ１８の仮想瞳面１９は照明開口絞り１２と共役な位置関係にある。
【００２５】
結像光学系２０において、測定マーク６３により反射された反射光Ｌ１は第１対物レンズ１８によってコリメートされ、第１ビームスプリッター１７を透過し、第１ビームスプリッタ１７の上方に配置された第２対物レンズ２１によって１次像面２７に集光される。この集光された光束は、第２ビームスプリッター２２によって透過および反射分岐される。
【００２６】
透過光束は、第１リレーレンズ２３を透過後、結像光学系平行平面板（以後、第２平行平面板と記す）２４を透過し、結像開口絞り２５により光束径を所定の径に制限され、第２リレーレンズ２６によって２次結像面２８に測定マーク６３の像を結像する。この２次像面と等価な位置に撮像装置３０の撮像素子（例えば、ＣＣＤ素子等）３１が配設され、撮像素子３１の表面に測定マーク６３の像が結像される。撮像素子３１からの出力信号は画像処理装置４０により処理され、ウエハ６２上の測定マーク６３の位置検出や重ね合わせ量の計測及びテレビモニターによる観察を行う。また、仮想瞳面１９と結像開口絞り２５とは共役な位置関係にある。この結像光学系２０において、第２対物レンズ２１および結像開口絞り２４の位置調整（Ｘ−Ｙ方向の位置）を行う機構（図示せず）がそれぞれ設けられている。
【００２７】
第２ビームスプリッター２２により反射分岐された光束はＡＦ第１リレーレンズ５１によってコリメートされた後、平行平面板５２を透過し、瞳分割ミラー５３上に照明開口絞り１２の像を結像する。
【００２８】
平行平面板５２は照明開口絞り１２の像を瞳分割ミラー５３の中心に位置調整するためのものであり、チルト調整が可能な機構になっている。平行平面板５２を透過した光束は瞳分割ミラー５３によって二つの光束に分離され、ＡＦ第２リレーレンズ５４によりそれぞれシリンドリカルレンズ５５を介してＡＦセンサー５６上の２個所にそれぞれの光束を計測方向に関して結像する。また、非計測方向に関してはシリンドリカルレンズ５５が屈折力を持ち、分離された二つの光束はＡＦセンサー５６上にそれぞれ光源像を結像する。オートフォーカスの動作原理は公知（例えば、特開２００２−１６４２６６）の原理を利用しているので、本明細書では説明を省略する。このようにして、本発明の実施形態にかかるマーク位置検出装置が構成されている。
【００２９】
本実施の形態にかかるマーク位置検出装置では、照明光学系１０の光軸に略平行な光束中に第１平行平面板１３が、結像光学系２０の光軸に略平行な光束中に第２平行平面板２４が設けられて、マーク検出装置の測定誤差ＴＩＳの波長による差を最小にするような調整が可能に構成されている。
【００３０】
次に、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における照明光学系１０に配置した第１平行平面板１３の機能と調整方法について説明する。
【００３１】
図１に示すような照明光学系１０および結像光学系２０を配置する場合、各々の光学部材を金物で固定し、そのブロックをコリメータ等の器具を用いて光軸に対して平行に配置する。しかしながら、金物ブロックの加工精度や配置する際の調整誤差等で各光学部材がチルト誤差を持つ。特に照明開口絞り１２と共役な位置関係にある第１対物レンズ１８の射出瞳近傍の仮想瞳面１９と照明開口絞り１２との間に配置された光学部材がチルト誤差を持つ場合に、照明開口絞り１２の像の結像位置が照明光の色（波長）によってＸ軸またはＹ軸方向にずれることになる。これは、照明光学系１０の照明テレセントリシティーがＸ軸またはＹ軸方向にずれることに対応している。
【００３２】
図２は、第１ビームスプリッタ１７にチルト誤差が生じた場合の一例を示している。このような場合、仮に照明光の中心波長では照明テレセントリシティーがウエハ６２面に対して垂直であっても、中心波長よりも短波長側（例えば、青色光ＬＢ）もしくは長波長側（例えば、赤色光ＬＲ）の光束は照明テレセントリシティーがウエハ６２面に対して傾きを持つことになる。その結果、図３（ａ）に示すように短波長側（ＬＢ）もしくは長波長側（ＬＲ）の光束は測定マーク６３を斜め方向より照明することになり、図３（ｂ）に示すように、撮像素子３１に結像される測定マーク６３像の画像信号プロファイルは非対称となる。
【００３３】
一般的に内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂの構造および物性は異なるため、測定マーク６３のエッジ部からの反射率の波長特性は異なると考えられる。そのため、各Ｂｏｘ６３ａ、６３ｂの測定マーク６３の反射率特性に適合した波長帯域の照明テレセントリシティーによって各Ｂｏｘ６３ａ、６３ｂの測定マーク６３像の特性が決まる。よって、照明テレセントリシティーの傾きによる影響度が内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂで異なる場合には測定誤差ＴＩＳが発生する原因となる。
【００３４】
ここで言う測定誤差ＴＩＳとは、測定マーク６３の測定を０度と１８０度との２つの方向で行い、０度方向における測定マーク６３の重ね合わせ測定値Ｌ_０と１８０度方向における同じ測定マーク６３の重ね合わせ測定値Ｌ_１８０の平均値として定義され、次式で測定誤差ＴＩＳを計算する。
【００３５】
【数１】
ＴＩＳ＝（Ｌ_０＋Ｌ_１８０）／２
この測定誤差ＴＩＳは、マーク位置検出装置や重ね合わせ測定装置において、その性能を評価する指標の一つとして用いられている。
【００３６】
したがって、図３（ｂ）に示すように画像信号プロファイルが歪んで非対称の場合、測定誤差ＴＩＳが発生しマーク位置検出の精度を悪化させる原因となるため、照明光の色（波長）に依存する非対称性の違いを除去する手段が必要となる。
【００３７】
次に、照明光学系１０に配設した第１平行平面板１３の色（波長）に対する作用に関して図４を用いて説明する。
【００３８】
本実施の形態では、図１に示すように、第１平行平面板１３は照明光学系１０の、照明開口絞り１２とコンデンサーレンズ１４との間に、光軸に対してチルト可能に設けられている。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、像面Ｓに向かって同一光路を進行してきた照明光束のうち波長の異なる光束、例えば青色光ＬＢ（実線）と赤色光ＬＲ（破線）とを考える。２つの光束ＬＢ，ＬＲが第１平行平面板１３を透過する場合、図４（ｂ）に示すように第１平行平面板１３が光軸に対して角度θだけ傾斜しているとプリズム効果によって光束ＬＢとＬＲとは異なる光路を通り像面Ｓで異なる位置に結像する。このことは、光軸外の光束ＬＢ’とＬＲ’とについても同様である。このように、照明光の波長によって像面Ｓでの結像位置が異なる。光束ＬＢとＬＲとの結像位置の差Δは第１平行平面板１３の傾斜角θを変化させることにより調整することができる。従って、第１平行平面板１３の傾きを調整することで色（波長）による結像位置のずれを補正できる。なお、第１平行平面板１３のチルト調整機構は、図１で示すＸ軸及びＺ軸に平行な直線のまわりに回転可能な機構である。
【００３９】
そこで図２で示すようなビームスプリッタ１７のチルト誤差によって生じた分散量を相殺する方向と角度に第１平行平面板１３をチルトすることによってビームスプリッタ１７で発生したチルト誤差をキャンセルできる。これにより照明光の色（波長）による照明開口絞り１２の結像位置のずれをなくすことができ、測定マーク６３に対する照明テレセントリシティーを照明光の有する波長領域に亘ってほぼ垂直とすることができる。なお、ここではビームスプリッタ１７がチルトした例を示したがコンデンサーレンズ１４、照明リレーレンズ１６にそれぞれチルト誤差がある場合も同様にして、照明光学系１０の総合的なチルト誤差が第１平行平面板１３を傾斜させることでキャンセルできる。
【００４０】
次に、第１平行平面板１３の調整方法の具体例について述べる。測定マークには照明テレセントリシティーの変動に対して測定誤差ＴＩＳが感度よく変化する測定マークを用いる。
【００４１】
まず第１ステップとして、波長制限フィルター等を用いて照明光の波長帯域を短波長側（ＬＢ）に制限し、測定誤差ＴＩＳを測定する。第２ステップとして、照明光の波長帯域を長波長側（ＬＲ）に制限し、測定誤差ＴＩＳを測定する。第３ステップとして、上記第１、第２ステップで測定した測定誤差ＴＩＳの差が小さくなる方向に第１平行平面板１３をチルトする。上記測定誤差ＴＩＳの差が所定の規格値内となるまで前記第１〜第３ステップを繰り返す。このようにして、第１平行平面板１３のチルト位置を決定する。なお、調整方法に関してはここで記載した内容に限定されず適宜変更可能である。
【００４２】
なお、上述の説明では、第１平行平面板１３を照明開口絞り１２とコンデンサーレンズ１４との間に設けた場合を説明したが、平行平面板１３をリレーレンズ１６と第１ビームスプリッタ１７との間に配置しても同様の効果が得られる。
【００４３】
次に、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における結像光学系２０に配設した第２平行平面板２４の機能と調整方法について説明する。
【００４４】
図１に示すような照明光学系１０および結像光学系２０を配置する場合、各々の光学部材を金物で固定し、そのブロックをコリメータ等の器具を用いて光軸に対して平行に配置する。しかしながら、金物ブロックの加工精度や配置する際の調整誤差等で各光学部材がチルト誤差を持つ。特に結像開口絞り２５と共役な位置関係にある第１対物レンズ１８の射出瞳近傍の仮想瞳面１９と結像開口絞り２５との間に配置された光学部材がチルト誤差を持つ場合に、仮想瞳面１９の像の結像位置が測定マーク６２からの反射光の色（波長）によってＸ軸またはＹ軸方向にずれる。
【００４５】
図５は、照明光学系１０と結像光学系２０に共用されるビームスプリッタ１７にチルト誤差が生じた例を示している。この場合、例えば、ウエハ６２の測定マーク６３からの反射光の中心波長では、図示では省略するが回折光が結像開口絞り２５によって光軸中心に対して左右対称にケラレている。しかし、中心波長よりも短波長側（ＬＢ１、ＬＢ２）もしくは長波長側（ＬＲ１、ＬＲ２）の回折光は非対称にケラレるために、撮像像素子３１上に結像した測定マーク６３の画像は左右回折光の情報が均一でなくなる。その結果、図６（ａ）、に示すように短波長側（ＬＢ）もしくは長波長側（ＬＲ）の反射光束は回折光が非対称になったことと同一となり、図６（ｂ）に示すように、撮像素子３１に結像される測定マーク６３像の画像信号プロファイルは非対称になる。
【００４６】
一般的に内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂの構造および物性は異なるため、測定マーク６３のエッジ部からの反射率波長特性は異なると考えられる。そのため、各Ｂｏｘの測定マーク６３の反射率特性に適合した波長帯域の回折光のケラレの対称性によって各Ｂｏｘの測定マーク６３像の特性が決まる。よって、回折光のケラレが内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂで異なる場合には測定誤差ＴＩＳが発生する原因となる。
【００４７】
したがって、図６（ｂ）に示すように画像信号プロファイルが歪んで非対称の場合、測定誤差ＴＩＳが発生しマーク位置検出の精度を悪化させる原因となるため、反射光の色（波長）に依存する非対称性の違いを除去する手段が必要となる。
【００４８】
次に、結像光学系２０に配設された第２平行平面板２４の色（波長）に対する機能に関して同じく図４を用いて説明する。
【００４９】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、像面Ｓに向かって同一光路を進行してきたマークからの反射光のうち波長の異なる光束、例えば青色光ＬＢ（実線）と赤色光ＬＲ（破線）とを考える。２光束ＬＢ，ＬＲが第２平行平面板２４を透過する場合、図４（ｂ）に示すように第２平行平面板２４が光軸に対して角度θだけ傾斜しているとプリズム効果によって光束ＬＢとＬＲとは異なる光路を通り像面Ｓに異なる位置で結像する。このことは、光軸外の光束ＬＢ’とＬＲ’とについても同様である。このように、反射光の波長によって像面Ｓでの測定マーク像の結像位置が異なる。ＬＢとＬＲとの結像位置の差Δは第２平行平面板２４の傾斜角θを変化させることにより調整することができる。従って、第２平行平面板２４の傾きを調整することで色（波長）による結像位置のずれを補正できる。なお、第２平行平面板２４のチルト調整機構は、図１で示すＸ軸及びＺ軸に平行な直線のまわりに回転可能な機構である。
【００５０】
図５で示すようなビームスプリッタ１７のチルト誤差によって生じた分散量を相殺する方向と角度に第２平行平面板２４を傾斜することによって、ビームスプリッタ１７で発生したチルト誤差をキャンセルできる。よって反射光の色（波長）の違いによる仮想瞳面１９の結像開口絞り２５位置での結像位置ずれをなくすことができ、広い波長帯域においてほぼ同じ位置に仮想瞳面１９の像を形成することができる。ここではビームスプリッタ１７がチルト誤差を有する例を示したが第２対物レンズ２１、ＡＦ分岐ビームスプリッタ２２、第１リレーレンズ２３にそれぞれチルト誤差がある場合も同様にして、結像光学系２０の総合的なチルト誤差をキャンセルすることができる。
【００５１】
次に、結像光学系２０と第２平行平面板２４の調整方法について述べる。この調整は、結像開口絞り２５および第２対物レンズ２３の位置調整を応用した調整方法により行われる。この調整は、図７に示すような形状のＬ／Ｓマーク７０を有したウエハを、図１に示す装置におけるウエハ６２に代えてステージ６１の上に載置し、照明光学系１０によりＬ／Ｓマーク７０を照明して撮像素子３１により撮像されたＬ／Ｓマーク像を画像処理することにより行われる。このＬ／Ｓマーク７０は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、線幅３μｍ、段差０．０８５μｍ（照射光λの１／８相当）で、ピッチ６μｍの平行に延びる複数の線状マーク７１〜７７からなるマークである。
【００５２】
撮像素子３１により撮像されたＬ／Ｓマーク像を画像処理装置４０により処理して画像信号強度を求めると、そのプロファイルは図７（ｃ）に示すようになる。ここで、各線状マーク７１〜７７の段差位置において信号強度が低下するが、各線状マーク毎における左右両側の段差位置での信号強度差ΔＩを求め、これを全線状マーク７１〜７７について平均することにより、Ｌ／Ｓマーク像の非対称性を示すＱ値（Ｑ＝１／７×Σ（ΔＩ／Ｉ）×１００（％））を求める。次に、ステージ６１を上下方向（Ｚ方向）に移動させてＬ／Ｓマーク７０をＺ方向に移動させ、各高さ位置（Ｚ方向位置）毎にＱ値を求めてＱ値のフォーカス特性を求めると、例えば図８に示すようなＱ値特性曲線が得られる。
【００５３】
図８（ａ）は結像開口絞り２５の調整により変動する成分であり凹凸の成分である。図８（ｂ）は第２対物レンズ２１のシフト調整により変動する成分でありＱ値特性曲線の傾斜の成分である。各要素を機械的な設計値に配置した状態では各要素は大きくずれた位置に在り、全体としてＱ値特性曲線は図８（ｃ）に示すような状態である。そこで、まず調整感度が敏感な結像開口絞り２５を調整する。次に第２対物レンズ２１を調整する。Ｑ値特性曲線において、図８（ａ）に示すように、凹凸成分が大きいと第２対物レンズ２１の調整量が的確に定められないため、上記の順序で調整することが望ましい。さらに一度の調整でＱ値のフォーカス特性曲線がある定量的な規格内に入らないときは規格内となるまで調整を繰り返し行う。
【００５４】
図８に示すＱ値特性曲線を波長毎に測定し、図８（ａ）に示すＱ値特性曲線における凹凸成分の差を指標にして第２平行平面板２４のチルト調整を行う。第１ステップとして、波長制限フィルター等を用いて照明光の波長帯域を短波長側（ＬＢ）に制限し、Ｑ値特性曲線を測定する。第２ステップとして、照明光の波長帯域を長波長側（ＬＲ）に制限し、Ｑ値特性曲線を測定する。第３ステップとして、第１、第２ステップで測定したＱ値特性曲線における凹凸成分の差が小さくなる方向に第２平行平面板２４をチルト調整する。Ｑ値特性曲線における凹凸成分の差が規格内となるまで前記第１〜第３ステップを繰り返す。なお、調整方法に関してはここで記載した内容でなくとも良い。
【００５５】
このように本実施の形態にかかるマーク位置検出装置では、照明光学系において波長帯域によらず照明テレセントリシティーがウエハに対して垂直であり、披検査マークの反射分光特性に依存した測定誤差ＴＩＳの発生を防ぐことができる。また、結像光学系において、波長帯域全域において回折光のケラレが光軸に対して対称に調整され、披検査マークの反射分光特性に依存した測定誤差ＴＩＳの発生を防ぐことができる。その結果、重ね合わせ測定装置及びマーク位置検出装置の測定精度を向上させることができる。
【００５６】
なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【００５７】
【発明の効果】
上述のように、本発明では、色（波長）によらず測定誤差ＴＩＳを小さくでき、高い精度でマーク位置検出が可能なマーク位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるマーク位置検出装置の概略構成図。
【図２】本発明にかかるマーク位置検出装置における、照明光学系の光学部材のチルト誤差による、照明テレセントリシティーのずれの一例を示す図。
【図３】照明光束が傾斜した際の、測定マークプロファイルを示す図であり、（ａ）は、入射光の色（波長）の違いによる入射方向の違いを模式的に示した図、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す。
【図４】平行平面板の作用を模式的に示す図であり、（ａ）は、平行平板が傾斜していないときの青色光束、赤色光束それぞれの光路を示し、（ｂ）は平行平面板が傾斜しているときの青色光束、赤色光束それぞれの光路をそれぞれ示している。
【図５】本発明にかかるマーク位置検出装置における、結像光学系の光学部材のチルト誤差による、結像の色（波長）による非対称の一例を示す図。
【図６】マークからの反射光の色（波長）の違いによる測定マークプロファイルの非対称を示す図であり、（ａ）は、反射光の色（波長）の違いを模式的に示した図、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す。
【図７】Ｑ値特性曲線を測定する際に用いられるマークの一例であり、（ａ）はＬ／Ｓマークを示す平面図、（ｂ）はＬ／Ｓマークの断面図、および（ｃ）はＬ／Ｓマークの画像信号強度プロファイルをそれぞれ示す。
【図８】Ｑ値特性曲線の例であり、（ａ）結像開口絞り、（ｂ）第２対物レンズ、（ｃ）結像開口絞りと第２対物レンズの合成それぞれのＱ値特性曲線をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１０照明光学系
１１光源
１２照明開口絞り
１３照明光学系平行平面板（第１平行平面板）
１４コンデンサーレンズ
１５視野絞り
１６照明リレーレンズ
１７第１ビームスプリッタ
１８第１対物レンズ
１９仮想瞳面
２０結像光学系
２１第２対物レンズ
２２第２ビームスプリッタ
２３第１リレーレンズ
２４結像光学系平行平面板（第２平行平面板）
２５結像開口絞り
３０撮像装置
３１撮像素子（ＣＣＤ）
４０画像処理装置
５０ＡＦ光学系
５１ＡＦ第１対物レンズ
５２ＡＦ平行平面板
５３瞳分割ミラー
５４ＡＦ第２リレーレンズ
５５シリンドリカルレンズ
５６ＡＦセンサー
６１ステージ
６２ウエハ
６３測定マーク
７０Ｌ／Ｓマーク
７１〜７７Ｌ／Ｓパターン
Ｓ像面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mark position detecting device such as an overlay mark or an alignment mark provided on a test substrate such as a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, it is necessary to measure the amount of misalignment between a resist pattern formed in a photolithography process in a semiconductor manufacturing process and a base pattern. An overlay measuring device that measures such an overlay shift amount has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In the example disclosed in Patent Document 1, the measurement mark is irradiated with illumination light, the reflected light from the measurement mark is imaged by an imaging optical system, and the image is captured by an imaging device such as a CCD camera, and image processing is performed. After that, the overlay displacement amount is measured. At this time, the wavelength band of the illuminating light has a wide range from the visible light region to the near-infrared light region in order to obtain a stable reflection intensity for various types of measurement mark structures.
[0004]
By the way, when the overlay misalignment is measured optically as described above, the measurement optical system (that is, the illumination optical system that irradiates the measurement mark with the illumination light and the imaging optical system that collects and forms the reflected light from the measurement mark) Inevitably, optical aberrations are inevitably generated. If such aberrations, particularly non-rotationally symmetric aberrations with respect to the optical axis, exist in the measurement visual field, an error occurs in the detection of the position of the measurement mark. As a result, a measurement error TIS (Tool Induced Shift) occurs in the overlay deviation measurement value.
[0005]
For this reason, before performing the overlay displacement measurement using the overlay displacement measuring device, the position adjustment of the illumination aperture stop, the imaging aperture stop, the objective lens, etc. used in the measurement optical system of this device is performed. It has been proposed to reduce the measurement error TIS (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-77295 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional technique, the image forming position of the illumination aperture stop at the objective lens virtual pupil position in the illumination optical system is affected by the manufacturing error when the optical components of the measuring device are arranged. It depends on the wavelength. This is because the inclination of the principal ray of the illumination light beam (hereinafter referred to as illumination telecentricity) differs depending on the color (wavelength), and may cause a measurement error TIS depending on the reflection spectral characteristics of the measurement mark. Also in the imaging optical system, the imaging position of the virtual pupil at the imaging aperture stop position in the imaging optical system differs depending on the wavelength of the illumination light due to the influence of a manufacturing error or the like when arranging optical components. This means that diffracted light from the measurement mark is asymmetrically vignetted depending on the wavelength region of the reflected light, and there is a problem that a measurement error TIS may occur depending on the reflection spectral characteristics of the measurement mark.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a mark position detecting device capable of reducing a measurement error TIS regardless of the color (wavelength) of illumination light and capable of detecting a mark position with high accuracy. It is an object.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an illumination optical system that irradiates illumination light to a measurement mark, and an imaging optical system that collects reflected light from the measurement mark to form an image of the measurement mark on an imaging device. An image optical system, comprising: a mark position detection device that processes an image signal obtained by the imaging device to measure a displacement of the measurement mark;
An optical element for correcting a difference in asymmetry of the image signal due to a wavelength of the illumination light is provided in the illumination optical system.
[0010]
Further, in the mark position detecting device of the present invention, it is preferable that the optical element is provided in a parallel light beam portion of the illumination optical system.
[0011]
Further, the present invention has an illumination optical system that irradiates the measurement mark with illumination light, and an imaging optical system that collects reflected light from the measurement mark and forms an image of the measurement mark on an imaging device. And a mark position detection device that processes an image signal obtained by the imaging device to measure a displacement of the measurement mark,
There is provided a mark position detecting device, wherein an optical element for correcting a difference in asymmetry of the image signal due to a wavelength of the illumination light is provided in a parallel light beam portion of the imaging optical system.
[0012]
In the mark position detecting device according to the present invention, it is preferable that the optical element is formed of a plane-parallel plate.
[0013]
In the mark position detecting device of the present invention, it is preferable that the optical element is formed of a plane parallel plate having a tilt mechanism.
[0014]
Further, the present invention has an illumination optical system that irradiates the measurement mark with illumination light, and an imaging optical system that collects reflected light from the measurement mark and forms an image of the measurement mark on an imaging device. And a mark position detection device that processes an image signal obtained by the imaging device to measure a displacement of the measurement mark,
Providing a first optical element in the illumination optical system and a second optical element in a parallel light beam portion of the imaging optical system to correct a difference in asymmetry of the image signal due to a wavelength of the illumination light or the reflected light. The present invention provides a mark position detecting device characterized by the following.
[0015]
Further, in the mark position detecting device of the present invention, it is preferable that the first optical element and the second optical element are formed of parallel plane plates.
[0016]
Further, in the mark position detecting device of the present invention, it is preferable that the first optical element and the second optical element are each formed of the parallel plane plate having a tilt mechanism.
[0017]
Further, in the mark position detecting device of the present invention, it is preferable that the first optical element or the second optical element is formed of the parallel plane plate having a tilt mechanism.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a mark position detection device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a shift in illumination telecentricity due to a tilt error of an optical member of an illumination optical system in the mark position detection device according to the present embodiment. FIG. 3 is a diagram showing a measurement mark profile when the illumination light beam is inclined. FIG. 3A shows a cross section of the measurement mark, and schematically shows a difference in incident direction due to a difference in color (wavelength) of the incident light. (B) is a diagram showing the asymmetry of the waveform obtained from the measurement mark. 4A and 4B are diagrams schematically showing the operation of the plane-parallel plate. FIG. 4A shows the optical paths of the blue light beam and the red light beam when the plane-parallel plate is not inclined, and FIG. It is a figure which shows each optical path of each of blue light flux and red light flux when is inclined. FIG. 5 is a diagram showing an example of asymmetry by color (wavelength) of an image formed by a tilt error of the optical member of the image forming optical system in the mark position detecting device according to the present embodiment. FIG. 6 is a diagram showing the asymmetry of the measurement mark profile due to the difference in the color (wavelength) of the reflected light from the measurement mark. FIG. 6 (a) shows the cross section of the measurement mark, and the difference in the color (wavelength) of the reflected light. And (b) is a diagram schematically showing the asymmetry of the waveform obtained from the measurement mark. 7A and 7B are examples of marks used when measuring a Q-value characteristic curve. FIG. 7A is a plan view showing an L / S mark, FIG. 7B is a cross-sectional view of the L / S mark, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an image signal intensity profile of an L / S mark. 8A and 8B show an example of a Q-value characteristic curve. FIG. 8A shows an image forming aperture stop, FIG. 8B shows a second objective lens, and FIG. 8C shows a combination of the image forming aperture stop and the second objective lens. It is a figure which shows a Q value characteristic curve, respectively.
[0019]
1, a direction perpendicular to the paper surface is defined as an X-axis direction, a left-right direction on the paper surface is defined as a Y-axis direction, and a vertical direction is defined as a Z-axis direction.
[0020]
The mark position detecting device according to the present embodiment includes a stage 61, an illumination optical system 10 for illuminating a measurement mark placed on the stage 61, and an imaging optic for condensing reflected light from the measurement mark to form an image. A system 20, an imaging device 30 for capturing an image formed by the imaging optical system 20, an image processing device 40 for processing an image signal of a captured image obtained by the imaging device 30, and measurement on the imaging device 30. An autofocus (AF) device 50 for focusing the mark image is provided.
[0021]
The mark position measuring apparatus shown in FIG. 1 measures registration misalignment of registration marks in measurement marks 63 formed on a wafer 62. In the measurement, the wafer 62 rotates and moves horizontally (in the XY directions). It is mounted on a stage 61 which is movable (movable) and movable up and down (movable in the Z direction). A stage control unit 64 is provided for such stage movement control. The measurement mark 63 is formed at an end of each shot area of the wafer 62, for example, as shown in FIG. 3A, when a predetermined resist pattern is formed on a base pattern of the wafer 62 by a photolithography process. A rectangular registration mark 63a is formed on the rectangular base mark 63b, and the registration position of the registration mark 63a with respect to the base mark 63b is measured by the mark position detection device according to the present embodiment. I do.
[0022]
The illumination light beam composed of white light emitted from the illumination light source 11 has an illumination light beam diameter restricted by an illumination aperture stop 12, passes through an illumination optical system parallel plane plate (hereinafter, referred to as a first parallel plane plate) 13, and has a condenser lens. The light is condensed by 14 and illuminates the field stop 15 uniformly.
[0023]
The field stop 15 has a substantially rectangular opening S1, as shown by hatching in FIG. Although the opening S1 is shown enlarged in FIG. 1, the opening S1 is arranged at an angle of about 45 degrees with respect to the X axis and the Z axis as shown in the figure, and the directions indicated by A and B in the figure on the XZ plane. Is configured to be movable. In the illumination optical system 10, a mechanism (not shown) for adjusting the position of the illumination aperture stop 12 (position in the XZ direction) is provided.
[0024]
The illumination light flux emitted from the field stop 15 is collimated by the illumination relay lens 16 to become a parallel light flux and enters the first beam splitter 17. The illumination light beam reflected by the first beam splitter 17 is reflected in the −Z direction (downward in the figure), is condensed by the first objective lens 18, and is vertically aligned with the measurement mark 63 of the wafer 62 placed on the stage 61. Irradiation. Thus, the illumination optical system 10 is configured such that the inclination (illumination telecentricity) of the principal ray of the illumination light is perpendicular to the wafer 62. Here, the field stop 15 and the measurement mark 63 are disposed at conjugate positions in the illumination optical system 10, and the measurement mark 63 of the wafer 62 is substantially aligned with the shape of the opening S 1 of the aperture stop 15. A rectangular area is illuminated by the illumination light. The virtual pupil plane 19 of the first objective lens 18 has a conjugate positional relationship with the illumination aperture stop 12.
[0025]
In the imaging optical system 20, the reflected light L1 reflected by the measurement mark 63 is collimated by the first objective lens 18, passes through the first beam splitter 17, and is disposed above the first beam splitter 17. The light is focused on the primary image plane 27 by the lens 21. The collected light beam is transmitted and reflected by the second beam splitter 22.
[0026]
The transmitted light flux passes through the first relay lens 23, then passes through the imaging optical system parallel plane plate (hereinafter, referred to as a second parallel plane plate) 24, and restricts the light flux diameter to a predetermined diameter by the imaging aperture stop 25. Then, the image of the measurement mark 63 is formed on the secondary image forming surface 28 by the second relay lens 26. An imaging device (for example, a CCD device) 31 of the imaging device 30 is provided at a position equivalent to the secondary image plane, and an image of the measurement mark 63 is formed on the surface of the imaging device 31. The output signal from the image sensor 31 is processed by the image processing device 40, and the position of the measurement mark 63 on the wafer 62 is detected, the amount of superposition is measured, and observation is performed by a television monitor. The virtual pupil plane 19 and the imaging aperture stop 25 have a conjugate positional relationship. In the imaging optical system 20, mechanisms (not shown) for adjusting the positions (positions in the X and Y directions) of the second objective lens 21 and the imaging aperture stop 24 are provided.
[0027]
The light beam reflected and branched by the second beam splitter 22 is collimated by the AF first relay lens 51, passes through the plane parallel plate 52, and forms an image of the illumination aperture stop 12 on the pupil division mirror 53.
[0028]
The plane-parallel plate 52 is for adjusting the position of the image of the illumination aperture stop 12 at the center of the pupil division mirror 53, and has a mechanism capable of tilt adjustment. The luminous flux transmitted through the parallel plane plate 52 is separated into two luminous fluxes by a pupil splitting mirror 53, and the respective luminous fluxes are measured in two directions on an AF sensor 56 via a cylindrical lens 55 by an AF second relay lens 54 in the measurement direction. Form an image. In the non-measuring direction, the cylindrical lens 55 has a refractive power, and the two separated light beams form light source images on the AF sensor 56, respectively. The operation principle of the autofocus uses a known principle (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-164266), and therefore, the description thereof is omitted in this specification. Thus, the mark position detecting device according to the embodiment of the present invention is configured.
[0029]
In the mark position detecting device according to the present embodiment, the first parallel flat plate 13 is placed in the light beam substantially parallel to the optical axis of the illumination optical system A two-parallel plane plate 24 is provided, and is configured to be capable of adjusting the measurement error TIS of the mark detection device to minimize the difference due to the wavelength.
[0030]
Next, the function and adjustment method of the first parallel flat plate 13 arranged in the illumination optical system 10 in the mark position detection device according to the present embodiment will be described.
[0031]
When arranging the illumination optical system 10 and the imaging optical system 20 as shown in FIG. 1, each optical member is fixed with metal hardware, and the block is arranged in parallel with the optical axis using a device such as a collimator. . However, each optical member has a tilt error due to the processing accuracy of the hardware block, an adjustment error when disposing, and the like. In particular, when the optical member disposed between the illumination aperture stop 12 and the virtual pupil plane 19 near the exit pupil of the first objective lens 18 having a conjugate positional relationship with the illumination aperture stop 12 has a tilt error, The image forming position of the image of the aperture 12 is shifted in the X-axis or Y-axis direction depending on the color (wavelength) of the illumination light. This corresponds to a shift in the illumination telecentricity of the illumination optical system 10 in the X-axis or Y-axis direction.
[0032]
FIG. 2 shows an example in which a tilt error occurs in the first beam splitter 17. In such a case, even if the illumination telecentricity is perpendicular to the surface of the wafer 62 at the center wavelength of the illumination light, it is shorter (for example, blue light LB) or longer wavelength (for example, blue light) than the center wavelength. The luminous flux of the red light LR has illumination telecentricity inclined with respect to the wafer 62 surface. As a result, as shown in FIG. 3A, the light beam on the short wavelength side (LB) or the long wavelength side (LR) illuminates the measurement mark 63 from an oblique direction, and as shown in FIG. The image signal profile of the measurement mark 63 image formed on the image sensor 31 is asymmetric.
[0033]
In general, since the structure and physical properties of the inner Box 63a and the outer Box 63b are different, it is considered that the wavelength characteristic of the reflectance from the edge of the measurement mark 63 is different. Therefore, the characteristic of the image of the measurement mark 63 of each Box 63a, 63b is determined by the illumination telecentricity of the wavelength band suitable for the reflectance characteristic of the measurement mark 63 of each Box 63a, 63b. Therefore, when the degree of influence due to the inclination of the illumination telecentricity differs between the inner Box 63a and the outer Box 63b, a measurement error TIS occurs.
[0034]
The measurement error TIS referred to here means that the measurement of the measurement mark 63 is performed in two directions of 0 degree and 180 degrees, and the superimposed measurement value L of the measurement mark 63 in the 0 degree direction is obtained. ₀ And the superimposed measurement value L of the same measurement mark 63 in the 180-degree direction ₁₈₀ The measurement error TIS is calculated by the following equation.
[0035]
(Equation 1)
TIS = (L ₀ + L ₁₈₀ ) / 2
This measurement error TIS is used as one of the indexes for evaluating the performance of the mark position detection device and the overlay measurement device.
[0036]
Therefore, as shown in FIG. 3B, when the image signal profile is distorted and asymmetric, a measurement error TIS occurs to cause deterioration of mark position detection accuracy, and thus depends on the color (wavelength) of the illumination light. A means is needed to eliminate the difference in asymmetry.
[0037]
Next, the effect on the color (wavelength) of the first parallel flat plate 13 provided in the illumination optical system 10 will be described with reference to FIG.
[0038]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the first parallel plane plate 13 is provided between the illumination aperture stop 12 and the condenser lens 14 of the illumination optical system 10 so as to be tiltable with respect to the optical axis. I have. As shown in FIGS. 4A and 4B, among illumination light beams traveling along the same optical path toward the image plane S, light beams having different wavelengths, for example, blue light LB (solid line) and red light LR (dashed line) think of. When the two light beams LB and LR pass through the first parallel plane plate 13, if the first parallel plane plate 13 is inclined by an angle θ with respect to the optical axis as shown in FIG. The light beams LB and LR pass through different optical paths and form images at different positions on the image plane S. This is the same for the light fluxes LB ′ and LR ′ off the optical axis. As described above, the imaging position on the image plane S differs depending on the wavelength of the illumination light. The difference Δ between the imaging positions of the light beams LB and LR can be adjusted by changing the inclination angle θ of the first plane-parallel plate 13. Therefore, by adjusting the inclination of the first plane-parallel plate 13, it is possible to correct the deviation of the imaging position due to the color (wavelength). The tilt adjusting mechanism of the first parallel flat plate 13 is a mechanism that can rotate around a straight line parallel to the X axis and the Z axis shown in FIG.
[0039]
Therefore, the tilt error generated by the beam splitter 17 can be canceled by tilting the first plane-parallel plate 13 in a direction and an angle that cancel out the amount of dispersion generated by the tilt error of the beam splitter 17 as shown in FIG. Accordingly, it is possible to eliminate the shift of the image forming position of the illumination aperture stop 12 due to the color (wavelength) of the illumination light, and to make the illumination telecentricity with respect to the measurement mark 63 substantially perpendicular to the wavelength range of the illumination light. it can. Here, an example in which the beam splitter 17 is tilted is shown. However, the same applies to the case where the condenser lens 14 and the illumination relay lens 16 each have a tilt error. It can be canceled by tilting the face plate 13.
[0040]
Next, a specific example of a method of adjusting the first parallel flat plate 13 will be described. As the measurement mark, a measurement mark whose measurement error TIS changes with high sensitivity to a change in illumination telecentricity is used.
[0041]
First, as a first step, the wavelength band of the illumination light is limited to the short wavelength side (LB) using a wavelength limiting filter or the like, and the measurement error TIS is measured. As a second step, the wavelength band of the illumination light is limited to the long wavelength side (LR), and the measurement error TIS is measured. As a third step, the first parallel flat plate 13 is tilted in a direction in which the difference between the measurement errors TIS measured in the first and second steps becomes smaller. The first to third steps are repeated until the difference between the measurement errors TIS falls within a predetermined standard value. Thus, the tilt position of the first plane-parallel plate 13 is determined. Note that the adjustment method is not limited to the content described here, and can be appropriately changed.
[0042]
In the above description, the case where the first plane-parallel plate 13 is provided between the illumination aperture stop 12 and the condenser lens 14 has been described, but the plane-parallel plate 13 is connected to the relay lens 16 and the first beam splitter 17. The same effect can be obtained by disposing them between them.
[0043]
Next, the function and adjustment method of the second parallel flat plate 24 provided in the imaging optical system 20 in the mark position detection device according to the present embodiment will be described.
[0044]
When arranging the illumination optical system 10 and the imaging optical system 20 as shown in FIG. 1, each optical member is fixed with metal hardware, and the block is arranged in parallel with the optical axis using a device such as a collimator. . However, each optical member has a tilt error due to the processing accuracy of the hardware block, an adjustment error when disposing, and the like. In particular, when an optical member disposed between the virtual pupil plane 19 near the exit pupil of the first objective lens 18 and the imaging aperture stop 25 having a conjugate positional relationship with the imaging aperture stop 25 has a tilt error, The image formation position of the image on the virtual pupil plane 19 is shifted in the X-axis or Y-axis direction depending on the color (wavelength) of the light reflected from the measurement mark 62.
[0045]
FIG. 5 shows an example in which a tilt error has occurred in the beam splitter 17 shared by the illumination optical system 10 and the imaging optical system 20. In this case, for example, at the center wavelength of the reflected light from the measurement mark 63 of the wafer 62, the diffracted light is vignetted symmetrically with respect to the center of the optical axis by the imaging aperture stop 25, though not shown. However, since the diffracted light on the shorter wavelength side (LB1, LB2) or longer wavelength side (LR1, LR2) than the center wavelength is asymmetrically vignetted, the image of the measurement mark 63 formed on the image sensor 31 is left and right. The information of the diffracted light is not uniform. As a result, as shown in FIG. 6A, the reflected light flux on the short wavelength side (LB) or the long wavelength side (LR) becomes the same as that the diffracted light becomes asymmetric, as shown in FIG. 6B. In addition, the image signal profile of the measurement mark 63 image formed on the image sensor 31 becomes asymmetric.
[0046]
Generally, since the structure and physical properties of the inner Box 63a and the outer Box 63b are different, it is considered that the wavelength characteristic of the reflectance from the edge of the measurement mark 63 is different. Therefore, the characteristic of the image of the measurement mark 63 of each Box is determined by the symmetry of the vignetting of the diffracted light in the wavelength band adapted to the reflectance characteristic of the measurement mark 63 of each Box. Therefore, if the vignetting of the diffracted light is different between the inner Box 63a and the outer Box 63b, this causes a measurement error TIS.
[0047]
Therefore, as shown in FIG. 6B, when the image signal profile is distorted and asymmetric, a measurement error TIS occurs to cause deterioration of the accuracy of mark position detection, and thus depends on the color (wavelength) of the reflected light. A means is needed to eliminate the difference in asymmetry.
[0048]
Next, the function for the color (wavelength) of the second parallel plane plate 24 provided in the imaging optical system 20 will be described with reference to FIG.
[0049]
As shown in FIGS. 4A and 4B, of the reflected light from the mark traveling along the same optical path toward the image plane S, light fluxes having different wavelengths, for example, blue light LB (solid line) and red light LR ( (Broken line). When the two light beams LB and LR pass through the second plane-parallel plate 24, if the second plane-parallel plate 24 is inclined by an angle θ with respect to the optical axis as shown in FIG. LB and LR pass through different optical paths and form images at different positions on the image plane S. This is the same for the light fluxes LB ′ and LR ′ off the optical axis. As described above, the imaging position of the measurement mark image on the image plane S differs depending on the wavelength of the reflected light. The difference Δ between the image forming positions of LB and LR can be adjusted by changing the inclination angle θ of the second plane-parallel plate 24. Therefore, by adjusting the inclination of the second plane-parallel plate 24, it is possible to correct the deviation of the imaging position due to the color (wavelength). The tilt adjusting mechanism of the second plane-parallel plate 24 is a mechanism rotatable around a straight line parallel to the X axis and the Z axis shown in FIG.
[0050]
By tilting the second plane-parallel plate 24 in a direction and at an angle to cancel the amount of dispersion generated by the tilt error of the beam splitter 17 as shown in FIG. 5, the tilt error generated by the beam splitter 17 can be canceled. Therefore, it is possible to eliminate the imaging position shift of the virtual pupil plane 19 at the position of the imaging aperture stop 25 due to the difference in the color (wavelength) of the reflected light, and to form the image of the virtual pupil plane 19 at almost the same position in a wide wavelength band. can do. Here, an example in which the beam splitter 17 has a tilt error has been described. However, the same applies to the case where the second objective lens 21, the AF branch beam splitter 22, and the first relay lens 23 each have a tilt error. The overall tilt error can be canceled.
[0051]
Next, a method of adjusting the imaging optical system 20 and the second plane-parallel plate 24 will be described. This adjustment is performed by an adjustment method applying position adjustment of the imaging aperture stop 25 and the second objective lens 23. This adjustment is performed by placing a wafer having an L / S mark 70 having a shape as shown in FIG. 7 on a stage 61 instead of the wafer 62 in the apparatus shown in FIG. This is performed by illuminating the S mark 70 and performing image processing on the L / S mark image captured by the image sensor 31. As shown in FIGS. 7A and 7B, the L / S mark 70 has a line width of 3 μm, a step difference of 0.085 μm (corresponding to ８ of the irradiation light λ), and a plurality of parallel extending pitches of 6 μm. This mark is composed of linear marks 71 to 77.
[0052]
When the L / S mark image picked up by the image pickup device 31 is processed by the image processing device 40 to obtain an image signal intensity, the profile is as shown in FIG. 7C. Here, the signal intensity decreases at the step positions of the linear marks 71 to 77, but the signal intensity difference ΔI at the left and right step positions for each linear mark is obtained, and this is averaged for all the linear marks 71 to 77. Thus, a Q value (Q = 1/7 × Σ (ΔI / I) × 100 (%)) indicating the asymmetry of the L / S mark image is obtained. Next, the stage 61 is moved in the vertical direction (Z direction) to move the L / S mark 70 in the Z direction, and the Q value is obtained for each height position (Z direction position) to obtain the focus characteristic of the Q value. Once obtained, a Q-value characteristic curve as shown in FIG. 8, for example, is obtained.
[0053]
FIG. 8A shows a component which varies due to the adjustment of the image forming aperture stop 25 and is a component of unevenness. FIG. 8B shows a component that fluctuates due to the shift adjustment of the second objective lens 21 and is a component of the slope of the Q-value characteristic curve. When the elements are arranged at the mechanical design values, the elements are located at greatly shifted positions, and the Q-value characteristic curve is as shown in FIG. 8C as a whole. Therefore, first, the image forming aperture stop 25 whose adjustment sensitivity is sensitive is adjusted. Next, the second objective lens 21 is adjusted. In the Q-value characteristic curve, as shown in FIG. 8A, the adjustment amount of the second objective lens 21 cannot be accurately determined if the concavo-convex component is large. Further, when the focus characteristic curve of the Q value does not fall within a certain quantitative standard by one adjustment, the adjustment is repeatedly performed until the focus characteristic curve falls within the standard.
[0054]
The Q-value characteristic curve shown in FIG. 8 is measured for each wavelength, and the tilt adjustment of the second parallel plane plate 24 is performed using the difference between the concave and convex components in the Q-value characteristic curve shown in FIG. As a first step, the wavelength band of the illumination light is limited to the short wavelength side (LB) using a wavelength limiting filter or the like, and the Q value characteristic curve is measured. As a second step, the wavelength band of the illumination light is limited to the long wavelength side (LR), and the Q-value characteristic curve is measured. As a third step, the second parallel flat plate 24 is tilt-adjusted in a direction in which the difference between the concave and convex components in the Q value characteristic curve measured in the first and second steps becomes smaller. The above first to third steps are repeated until the difference between the concavo-convex components in the Q value characteristic curve falls within the standard. Note that the adjustment method need not be the content described here.
[0055]
As described above, in the mark position detecting device according to the present embodiment, in the illumination optical system, the illumination telecentricity is perpendicular to the wafer regardless of the wavelength band, and the measurement error TIS depending on the reflection spectral characteristics of the inspection mark. Can be prevented from occurring. Further, in the imaging optical system, the vignetting of the diffracted light is adjusted symmetrically with respect to the optical axis in the entire wavelength band, so that the occurrence of the measurement error TIS depending on the reflection spectral characteristics of the inspection mark can be prevented. As a result, the measurement accuracy of the overlay measurement device and the mark position detection device can be improved.
[0056]
The above-described embodiment is merely an example, and is not limited to the above-described configuration and shape. Modifications and changes can be made as appropriate within the scope of the present invention.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a mark position detection device that can reduce the measurement error TIS regardless of the color (wavelength) and can detect the mark position with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a mark position detection device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a shift in illumination telecentricity due to a tilt error of an optical member of an illumination optical system in the mark position detection device according to the present invention.
3A and 3B are diagrams illustrating measurement mark profiles when an illumination light beam is inclined, and FIG. 3A is a diagram schematically illustrating a difference in an incident direction due to a difference in color (wavelength) of incident light, and FIG. ) Indicate the asymmetry of the waveform obtained from the measurement mark.
FIGS. 4A and 4B are diagrams schematically showing the operation of a plane-parallel plate, wherein FIG. 4A shows the optical paths of a blue light beam and a red light beam when the parallel plate is not inclined, and FIG. Respectively show the optical paths of the blue light flux and the red light flux when the light is inclined.
FIG. 5 is a diagram showing an example of asymmetry due to a color (wavelength) of an image due to a tilt error of an optical member of an image forming optical system in the mark position detecting device according to the present invention.
6A and 6B are diagrams illustrating asymmetry of a measurement mark profile due to a difference in color (wavelength) of reflected light from a mark, and FIG. 6A is a diagram schematically illustrating a difference in color (wavelength) of reflected light; (B) shows the asymmetry of the waveform obtained from the measurement mark.
7A and 7B are examples of marks used when measuring a Q-value characteristic curve, wherein FIG. 7A is a plan view showing an L / S mark, FIG. 7B is a cross-sectional view of the L / S mark, and FIG. Indicates an image signal intensity profile of the L / S mark, respectively.
FIG. 8 is an example of a Q-value characteristic curve, wherein (a) an imaging aperture stop, (b) a second objective lens, and (c) a combination of an imaging aperture stop and a second objective lens. Shown respectively.
[Explanation of symbols]
10. Illumination optical system
11 Light source
12. Illumination aperture stop
13. Illumination optical system parallel plane plate (first parallel plane plate)
14 Condenser lens
15 Field stop
16 Lighting relay lens
17 First beam splitter
18 First objective lens
19 Virtual pupil plane
20 Imaging optical system
21 Second objective lens
22 Second beam splitter
23 1st relay lens
24 imaging optical system parallel plane plate (second parallel plane plate)
25 Imaging aperture stop
30 Imaging device
31 Image sensor (CCD)
40 Image processing device
50 AF optical system
51 AF first objective lens
52 AF parallel flat plate
53 pupil split mirror
54 AF Second Relay Lens
55 cylindrical lens
56 AF sensor
61 stages
62 wafer
63 Measurement mark
70 L / S mark
71-77 L / S pattern
S image plane

Claims

測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記照明光学系に設けたことを特徴とするマーク位置検出装置。An illumination optical system that irradiates the measurement mark with illumination light, and an imaging optical system that collects reflected light from the measurement mark and forms an image of the measurement mark on an imaging device, and the imaging device In a mark position detection device that processes the obtained image signal and measures the position deviation of the measurement mark,
A mark position detecting device, wherein an optical element for correcting a difference in asymmetry of the image signal due to a wavelength of the illumination light is provided in the illumination optical system.

請求項１に記載のマーク位置検出装置において、
前記光学素子は、前記照明光学系の平行光束部分に設けられていることを特徴とするマーク位置検出装置。The mark position detecting device according to claim 1,
The mark position detecting device, wherein the optical element is provided in a parallel light beam portion of the illumination optical system.

測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記結像光学系の平行光束部分に設けたことを特徴とするマーク位置検出装置。An illumination optical system that irradiates the measurement mark with illumination light, and an imaging optical system that collects reflected light from the measurement mark and forms an image of the measurement mark on an imaging device, and the imaging device In a mark position detection device that processes the obtained image signal and measures the position deviation of the measurement mark,
A mark position detecting device, wherein an optical element for correcting a difference in asymmetry of the image signal due to a wavelength of the illumination light is provided in a parallel light beam portion of the imaging optical system.

請求項１から３のいずれか１項に記載のマーク検出装置において、
前記光学素子は、平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。The mark detection device according to any one of claims 1 to 3,
The mark position detecting device, wherein the optical element comprises a plane-parallel plate.

請求項１から３のいずれか１項に記載のマーク位置検出装置において、
前記光学素子は、チルト機構を有する平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。The mark position detecting device according to any one of claims 1 to 3,
The mark position detecting device, wherein the optical element is formed of a plane parallel plate having a tilt mechanism.

測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光学系に第１光学素子および前記結像光学系の平行光束部分に第２光学素子を設けて、前記照明光あるいは前記反射光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正することを特徴とするマーク位置検出装置。An illumination optical system that irradiates the measurement mark with illumination light, and an imaging optical system that collects reflected light from the measurement mark and forms an image of the measurement mark on an imaging device, and the imaging device In a mark position detection device that processes the obtained image signal and measures the position deviation of the measurement mark,
Providing a first optical element in the illumination optical system and a second optical element in a parallel light beam portion of the imaging optical system to correct a difference in asymmetry of the image signal due to a wavelength of the illumination light or the reflected light. A mark position detecting device characterized by the above-mentioned.

請求項６に記載のマーク検出装置において、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。The mark detection device according to claim 6,
The mark position detecting device, wherein the first optical element and the second optical element are formed of parallel plane plates.

請求項６または７に記載のマーク位置検出装置において、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。The mark position detecting device according to claim 6, wherein
The mark position detecting device, wherein the first optical element and the second optical element are each formed of the plane parallel plate having a tilt mechanism.

請求項５または７に記載のマーク位置検出装置において、
前記第１光学素子または前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。The mark position detecting device according to claim 5, wherein
The said 1st optical element or the said 2nd optical element consists of the said parallel plane plate which has a tilt mechanism, The mark position detection apparatus characterized by the above-mentioned.