JP4427980B2

JP4427980B2 - マーク位置検出方法

Info

Publication number: JP4427980B2
Application number: JP2003179926A
Authority: JP
Inventors: 孝彦松本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP2005019544A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の重ね合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク（レチクル）に形成された回路パターンをウエハに塗布されているレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや成膜などを行うことにより（加工工程）、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するためには、同様のパターン形成工程が繰り返される。このように、パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子が形成される。
【０００３】
上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々の露光工程において、マスクパターンと基板上のパターンとの重ね合わせを行い、さらに、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上に形成されたレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
マスクパターンと基板上のパターンとの重ね合わせ（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、基板上に形成されている回路パターンとの重ね合わせであり、各々の回路パターンの基準位置を示す重ね合わせマークを用いて行われる。また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、基板上に形成されている回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査であり、下地パターンとレジストパターンの各々の基準位置を示す重ね合わせマークを用いて行われる。
【０００５】
重ね合わせマークの位置検出は、この重ね合わせマークを装置の視野領域内に位置決めし、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて重ね合わせマークの像を撮像し、得られた画像信号のうちエッジ信号を用いて行われる。なお、画像信号は、撮像素子の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布を表している。エッジ信号は、画像信号のうち輝度値の急変部分である。
【０００６】
このエッジ信号から重ね合わせマークの位置を算出するに当たっては、周知の相関法というアルゴリズムが用いられる。相関法では、エッジ信号の波形の全体を使って相関演算を行うため、信号ノイズの影響を受け難く、重ね合わせマークの位置を再現性よく算出できる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１７４４２８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、相関法は、エッジ信号の波形が左右対称であることを前提としたアルゴリズムである。このため、重ね合わせマークのエッジ部に欠陥がありエッジ信号の波形に乱れがあると重ね合わせマークのエッジ位置を算出する際にエッジ位置誤差が増大してしまい、重ね合わせマークのエッジ位置を精度良く決めることができなくなるという虞がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、マーク位置検出装置に好適なマーク位置検出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、少なくとも一つ以上のエッジ位置を有する重ね合わせマークの前記エッジ位置を検出するマーク位置検出手段であって、前記重ね合わせマークの複数の画像信号プロファイルから複数のエッジ位置を抽出する抽出手段と、抽出された前記複数のエッジ位置から前記エッジ位置のばらつき度合いを算出する統計処理手段と、前記ばらつき度合いと、欠陥のない重ね合わせマークを用いて求めたエッジ位置のばらつきに基いて予め定められたばらつき閾値とを比較する比較手段と、前記比較手段の結果に基づき前記複数のエッジ位置を選択する選択手段とを有し、前記選択手段の結果に基づき前記エッジ位置を算出することを特徴とするマーク位置検出方法を提供する。
【００１１】
また、本発明のマーク位置検出方法では、前記選択手段は、前記ばらつき度合いが前記ばらつき閾値をこえない前記複数のエッジ位置を選択することが好ましい。
【００１２】
また、本発明のマーク位置検出方法では、前記選択手段は、前記ばらつき度合いが前記ばらつき閾値をこえる前記複数のエッジ位置を選択除去することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る重ね合わせ測定装置の概略構成図を示す。図２は、本発明に係るマーク位置検出方法に用いる重ね合わせマークの一例であり、（ａ）は重ね合わせマークの斜視図とそのプロファイル取り出し位置の例を、（ｂ）はエッジ部に欠陥がある重ね合わせマーク例の平面図とそのプロファイル取り出し位置の例を、（ｃ）は（ｂ）の重ね合わせマークの画像処理により得られる光量断面プロファイルの例をそれぞれ示す。図３は本発明の第１実施の形態に係るマーク位置検出方法のフローチャートを示す。図４は本発明の第２実施の形態に係るマーク位置検出方法のフローチャートを示す。
【００１５】
図１において、重ね合わせ測定装置１０は、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１表面に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１６）と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系（１６、１５、１７）と、ＣＣＤ撮像素子１８と、画像処理装置１９とで構成されている。
【００１６】
検査ステージ１２は、ウエハ１１を水平状態に保持すると共に、水平面内で任意の位置に移動可能である。検査ステージ１２を移動させることにより、ウエハ１１の重ね合わせマーク３０（図２（ａ））を含む観察領域が結像光学系（１６、１５、１７）の視野内に位置決めされる。検査ステージ１２の法線方向をＺ方向、ウエハ１１の載置面をＸＹ面とする。
【００１７】
照明光学系（１３〜１６）は、光源１３と照明レンズ１４とプリズム１５と対物レンズ１６とで構成され、プリズム１５が対物レンズ１６と結像レンズ１７との間の光軸０２上に配置される。結像光学系（１５、１６、１７）の光軸０２はＺ方向に平行である。プリズム１５の反射透過面１５ａは、光軸０２に対して略４５度傾けられている。照明光学系のうち照明レンズ１４からプリズム１５の反射透過面までの光軸０１は、結像光学系（１５、１６、１７）の光軸０２に垂直である。
【００１８】
結像光学系（１５、１６、１７）は、検査ステージ側から対物レンズ１６とプリズム１５と結像レンズ１７とで順に構成された光学顕微鏡部である。また、結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する光学素子である。
【００１９】
上記の照明光学系（１３〜１６）および結像光学系（１５、１６、１７）において、光源１３から射出された光は、照明レンズ１４を介してプリズム１５に導かれ、その反射透過面１５ａで反射した後（照明光Ｌ１）、対物レンズ１６側に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後（照明光Ｌ２）、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、ウエハ１１の観察領域は、照明光Ｌ２により略垂直に照明される。照明光Ｌ２が照射されたウエハ１１の観察領域からは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ３が発生する。この反射光Ｌ３は、対物レンズ１６により集光され、プリズム１５を透過して結像レンズ１７に導かれ、対物レンズ１６と結像レンズ１７の作用によってＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上に結像される。このとき、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ３に基づく拡大像（反射像）が形成される。
【００２０】
ＣＣＤ撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、撮像面上の反射像を撮像し、画像信号を画像処理装置１９に出力する。画像信号は、複数のサンプル点からなり、ＣＣＤ撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
【００２１】
画像処理装置１９は、ＣＣＤ撮像素子１８からの画像信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域（重ね合わせマーク３０を含む）の反射像を画像として取り込み、図２（ｃ）に示すような光量断面プロファイル（Ｆ１〜Ｆ５）を取り出す。
【００２２】
ウエハ１１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、基板上に形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００２３】
ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１の表面には、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０（図２（ａ））が形成されている。
【００２４】
図２（ａ）は重ね合わせマーク３０の斜視図である。重ね合わせマーク３０は、略四角形状の外Ｂｏｘ３３と、外Ｂｏｘ３３と中心位置が略同じ略四角形状の内Ｂｏｘ３５とからなるＢｏｘ−ｉｎ−Ｂｏｘタイプの重ね合わせマークからなり、外Ｂｏｘ３３、内Ｂｏｘ３５のうち一方が下地マーク、他方がレジストマークである。下地マーク、レジストマークは、各々、下地パターン、レジストパターンと同時に形成され、下地パターン、レジストパターンの基準位置を示す。
【００２５】
撮像素子１８で取り込まれた画像は、画像処理装置１９により、各位置（例えば、Ｓ１〜Ｓ５）ごとの光量断面プロファイル（Ｆ１〜Ｆ５）が取り出される。図２（ｂ）のＳ１〜Ｓ５が各位置の例を示している。図２（ａ）に示す重ね合わせマーク３０において、例えば位置Ｓ１による光量断面プロファイルから、外Ｂｏｘ３３のエッジ位置Ｐ１１、およびＰ１４と、内Ｂｏｘ３５のエッジ位置Ｐ１２、およびＰ１３がそれぞれ得られる。この光量断面プロファイルから、各エッジ位置を算出して、外Ｂｏｘ３３の中心位置と内Ｂｏｘ３５の中心位置のずれ量を検出する。このとき、一般にはスキャン方向と垂直な方向に検査ステージと測定光学系を相対移動させて重ね合わせマーク内の異なる位置毎にスキャンを行って測定した複数の位置情報を平均化処理してばらつきを抑えた測定を行うようにしている。なお、２次元エリアセンサ（例えば、ＣＣＤ）で撮像し、撮像した結果を画像メモリーに保存し、保存した画素データを基にマトリックス的に平均化処理を行っても良い。
【００２６】
図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、例えば、重ね合わせマーク３０の外Ｂｏｘ３３のエッジ位置に欠陥部３７が有る位置Ｓ１，Ｓ２による光量断面プロファイルＦ１、Ｆ２から、エッジ位置Ｐ１１、Ｐ２１、に対応するエッジ位置Ｘ１１、Ｘ２１がそれぞれ求められる。また、欠陥がない位置Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５による光量断面プロファイルＦ３，Ｆ４，Ｆ５からエッジ位置Ｐ３１，Ｐ４１、Ｐ５１に対応するエッジ位置Ｘ３１、Ｘ４１、Ｘ５１がそれぞれ求められる。Ｘ１１〜Ｘ５１を使って統計処理を行って求めたばらつきの度合いσａ（一般的には、標準偏差を示す）、Ｘ３１〜Ｘ５１を使って統計処理を行って求めたばらつきの度合いσｂ（一般的には、標準偏差を示す）に比べて、ばらつきの度合いは大きくなる。また、Ｘ１１〜Ｘ５１を使って統計処理を行って求めた平均値Ｘａは、Ｘ３１〜Ｘ５１を使って統計処理を行って求めた平均値Ｘｂに比べて、本来のエッジ位置からのずれ量が大きくなってしまう。このように、重ね合わせマーク３０に欠陥部３７が存在する場合、全ての光量断面プロファイル（例えば、Ｆ１〜Ｆ５）から求められるエッジ位置を用いて統計処理を行うことは、エッジ位置の誤差を大きくする虞がある。
【００２７】
なお、他の外Ｂｏｘおよび内Ｂｏｘの各エッジにおいても同様にしてエッジ位置が検出される。また、上述の画像取り込み方向（Ｘ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）の画像を取り込んで同様の処理を行うことによって外Ｂｏｘと内Ｂｏｘの中心位置ずれを検出できる。
【００２８】
なお、上述の測定方法では、最初に重ね合わせマークの２次元画像を取り込み、その画像の各位置の断面プロファイルを取り込むこととしたが、重ね合わせマークの各位置について各々スキャンを行い各位置での１次元の断面プロファイルを取り込んでも良い。
【００２９】
本発明の実施の形態では、上記のような重ね合わせマーク３０に欠陥が含まれている場合においても、高精度にエッジ位置を求めることができるマーク位置検出方法を提案している。以下、本発明の実施の形態に係るマーク位置検出方法に付いて説明する。
【００３０】
（第１実施の形態）
図３は、本発明の第１実施の形態に係るメーク位置検出方法のフローチャートを示す。図３において、重ね合わせ測定装置１０で、欠陥のない重ね合わせマーク３０を用いてエッジ位置を測定した際のばらつきの度合いを閾値σinとして用いる。なお、閾値σinは実測によらず統計的な計算から定めても良い。
【００３１】
閾値σinを設定（ステップ１）した後、重ね合わせマーク３０の画像を取り込んで各位置に対応した（例えば、Ｆ１〜Ｆ５）のプロファイルを取り出して得られたエッジ位置（例えば、Ｘ１１〜Ｘ５１）を用いて統計処理し、エッジ位置のばらつき度合いσを算出する（ステップ２）。算出されたσと閾値σinとを比較する（ステップ３）。
【００３２】
比較した結果、データのばらつき度合いσの方がσinより小さい場合には、重ね合わせマーク３０の形状は正常であると判断して、データを統計処理し、エッジ位置を算出（ステップ４）して外Ｂｏｘ３３と内Ｂｏｘ３５との重ね合わせずれ量の計算処理に進む。
【００３３】
一方、σがσinより大きい場合には、エッジ位置データ中に欠陥部を含んでいる虞があると判断して、それまでの統計計算途上でそれぞれ算出しているばらつき度合いのデータ（例えば、エッジ位置の出現度数分布やエッジ位置を逐次統計処理した際のそれぞれの分散値など）を見直し、分散値が小さかったエッジ位置データを抽出し（ステップ５）、再度統計処理を行ってσとσinとを比較する（ステップ３に戻る）。ステップ３でσがσinより小さくなっていれば、ステップ４に進み、引き続き重ね合わせずれ量の計算処理に進む。なお、上述のエッジ位置データの選択において、エッジ位置の出現度数分布から、出現度数の多いエッジ位置データを選択しても良い。
【００３４】
（第２実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態に係るマーク位置検出方法のフローチャートを示す。第２実施の形態と第１実施の形態の違いは、ステップ５に有り、その他のステップは第１実施の形態と同様であり同じ符号を付し説明を省略する。
【００３５】
図４において、本第２実施の形態におけるステップ５では、統計計算途上でそれぞれ算出しているばらつき度合いのデータ（例えば、エッジ位置の出現度数分布やエッジ位置を逐次統計処理した際のそれぞれの分散値など）を見直し、分散値が大きかったエッジ位置データを抽出し、除去する。そして、除去した後のエッジ位置データを用いて再度統計処理を行いステップ３の判断処理をする。σがσinより小さくなった時点でマーク形状が正常と判断して、データを統計処理し、エッジ位置を算出（ステップ４）して外Ｂｏｘ３３と内Ｂｏｘ３５との重ね合わせずれ量の計算処理に進む。なお、上述のエッジ位置データの選択において、エッジ位置の出現度数分布から、出現度数の少ないエッジ位置データを選択しても良い。
【００３６】
以上、本第実施の形態に係るマーク位置検出方法では、重ね合わせマーク３０に欠陥が有る場合でも正確なエッジ位置を算出でき、高精度の重ね合わせ測定が可能となる。
【００３７】
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。
【００３８】
【発明の効果】
上述のように、本発明では、マーク位置検出装置に好適なマーク位置検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る重ね合わせ測定装置の概略構成図を示す。
【図２】本発明に係るマーク位置検出方法に用いる重ね合わせマークの一例であり、（ａ）は重ね合わせマークの斜視図とそのプロファイル取り出し位置の例を、（ｂ）はエッジ部に欠陥がある重ね合わせマーク例の平面図とそのプロファイル取り出し位置の例を、（ｃ）は（ｂ）の重ね合わせマークの画像処理により得られる光量断面プロファイルの例をそれぞれ示す。
【図３】本発明の第１実施の形態に係るマーク位置検出方法のフローチャートを示す。
【図４】本発明の第２実施の形態に係るマーク位置検出方法のフローチャートを示す。
【符号の説明】
１０重ね合わせ測定装置
１１ウエハ
１２検査ステージ
１３光源
１４照明レンズ
１５プリズム
１６対物レンズ
１７結像レンズ
１８ＣＣＤ撮像素子
１９画像処理装置
３０重ね合わせマーク
３３外Ｂｏｘ
３５内Ｂｏｘ
３７欠陥部

Claims

少なくとも一つ以上のエッジ位置を有する重ね合わせマークの前記エッジ位置を検出するマーク位置検出手段であって、
前記重ね合わせマークの複数の画像信号プロファイルから複数のエッジ位置を抽出する抽出手段と、
抽出された前記複数のエッジ位置から前記エッジ位置のばらつき度合いを算出する統計処理手段と、
前記ばらつき度合いと、欠陥のない重ね合わせマークを用いて求めたエッジ位置のばらつきに基いて予め定められたばらつき閾値とを比較する比較手段と、
前記比較手段の結果に基づき前記複数のエッジ位置を選択する選択手段とを有し、
前記選択手段の結果に基づき前記エッジ位置を算出することを特徴とするマーク位置検出方法。
前記選択手段は、前記ばらつき度合いが前記ばらつき閾値をこえない前記複数のエッジ位置を選択することを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出方法。
前記選択手段は、前記ばらつき度合いが前記ばらつき閾値をこえる前記複数のエッジ位置を選択除去することを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出方法。