JP4639808B2 - 測定装置及びその調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばウェハ上に形成される各種パターンのアライメント光学系、位置測定光学系に用いる測定装置及びその調整方法に関する。

例えばウェハ上に形成される各種パターンの位置測定光学系は、特許文献１にも開示してあるように、従来、図４に示すように、照明光学系、結像光学系、及び画像処理手段からなる。なお、図４は、従来に係り、各種パターンの位置測定光学系の模式図である。

照明光学系に於いては、光源（ハロゲンランプ）１のフィラメント像は、光源用第１及び第２リレーレンズ２，３にて、光ファイバ４のファイバ入射端面に投影される。この照明光は、光ファイバ４を介して、照明用第１及び第２リレーレンズ５，６にて、照明開口絞り７に投影される。なお、光ファイバ４の出射端面と、照明用第１リレーレンズ６との間には、光学的拡散板（レモンスキン）２０が配置されている。

その後、照明用第３リレーレンズ８、視野絞り９、及び照明用第４リレーレンズ１０を通り、落射プリズム１１にて、９０度方向に反射され、結像絞り１２、第１対物レンズ１３を通り、ウェハ１４に照明される。なお、ウェハ１４は、移動ステージ１６上のウェハホルダー１５に載置してあり、ウェハ１４には、測定対象パターンが形成してある。

結像光学系に於いては、ウェハ１４の測定対象パターンで反射された光は、再び第１対物レンズ１３を通り、結像開口絞り１２を通り、落射プリズム１１、反射ミラー２１、及び第２対物レンズ１７を通過後、ＣＣＤカメラ１８の撮像面にて結像する。

画像処理手段に於いては、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に投影された測定対象パターン像をデジタル信号に変換後、その画像は、画像処理部１９に送られ、測定対象パターンの位置計側か行われる。

ところで、上述したような光学顕微鏡を用いた測定装置に於いては、光学系誤差（照明テレセン、結像テレセン、コマ収差）が測定精度に大きく影響する。そのため、これまで精度向上のために、さまざまな調整方法が考えだされてきた。

例えば、光学系誤差に敏感な照明波長の１／８の段差を有する調整パターンを利用する方法がある。この基準パターンを用いれば、フォーカスオフセット量に対する光学像の対称性の変化から光学系誤差を推測できるため、調整機構部（照明開口絞り７、結像開口絞り１２、第２対物レンズ１７）を最適な位置に調整することができる。

しかしながら、光学系に含まれる反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）等については、これまでその総合精度に対する影響が小さく、問題視されてこなかった。

従来、これらの反射系ガラス部品等については、面精度、寸法精度など、部品単体の精度を管理することで、十分な効果が得られていた。
特開２００１−３１７９１３号公報

ところが、近年、半導体デバイスの高集積化、記憶容量の増加に伴って、測定装置に要求される精度が飛躍的に厳しくなり、反射系ガラス部品等の精度を無視することができなくなってきた。

よって、反射系ガラス部品等に要求される精度が益々高くなり、製造限界に迫っている。

例えば、落射プリズム１１に関しては、反射面精度、ガラス面精度、屈折率誤差、屈折率ムラ、張り合わせガラスの特性差、接着剤の特性（接着層の厚さ）など、全ての要素が測定精度に影響する。反射ミラー２１に関しても、同様に反射面精度が測定精度に影響する。

また、これら反射系ガラス部品等は、光学像面に近く配置される場合は、直接的に光学像の品質（光学像の歪み）に影響し、瞳面付近に配置される場合は、瞳面の品質に影響し、間接的に光学像の品質（光学像の歪み）に影響を及ぼす。

例えば、図３（ａ）は、光学像の状態を示す模式図であり、ウェハ１４の位置に、試料（理想格子物体）を載置した時に、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に結像した光学像である。反射系ガラス部品等の面精度の影響により、試料の光学像が歪んでいることが観察される。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、例えば現状の方式では調整できない反射系ガラス部品等の精度の影響を極力排除して、高集積化や記憶容量の増加の下で、ＣＣＤカメラの撮像面に結像する「光学像の歪み」を極力抑えた高精度な測定装置及びその調整方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る測定装置は、試料へ照明光を供給するための光源を有する照明光学系と、
前記試料の光学像を観察する結像光学系と、
前記光学像を撮像手段で取り込み画像処理を行う画像処理手段と、を具備した測定装置において、
前記撮像手段の撮像面に結像した前記試料の光学像の歪み量を算出する解析手段と、
前記解析手段の解析結果に基づいて、前記照明光学系又は前記結像光学系の光軸上で、入出射面が略平坦であり前記光学像の歪みの要因となる歪み要因光学部品の位置を、前記光学像の位置が変化せず、かつ前記入出射面の反射ポイントがずれるように前記入射出面に平行な方向に移動して調整する位置調整機構と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る測定装置は、前記歪み要因光学部品は、落射プリズム、反射ミラー、指標板、色補正ガラス、及び前記撮像手段の保護面のうち、何れか少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る測定装置の調整方法は、試料へ照明光を供給するための光源を有する照明光学系と、
前記試料の光学像を観察する結像光学系と、
前記光学像を撮像手段で取り込み画像処理を行う画像処理手段と、を具備した測定装置において、
前記撮像手段の撮像面に結像した前記試料の光学像の歪み量を算出する解析工程と、
前記解析工程の解析結果に基づいて、前記照明光学系又は前記結像光学系の光軸上で、入出射面が略平坦であり前記光学像の歪みの要因となる歪み要因光学部品の位置を、前記光学像の位置が変化せず、かつ前記入出射面の反射ポイントがずれるように前記入射出面に平行な方向に移動して調整する位置調整工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る測定装置の調整方法は、前記歪み要因光学部品は、落射プリズム、反射ミラー、指標板、色補正ガラス、及び前記撮像手段の保護面のうち、何れか少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明によれば、物体面の検査対象の位置に、試料を載置し、撮像手段の撮像面に結像した試料の光学像の歪み量を算出・解析し、この解析結果に基づいて、照明光学系又は結像光学系の光軸上で、光学像の歪みの要因となる歪み要因光学部品の位置を調整するように構成してあることから、例えば現状の方式では調整できない反射系ガラス部品等の面精度の影響を極力排除して、高集積化や記憶容量の増加の下で、撮像手段の撮像面に結像する「光学像の歪み」を極力抑えた高精度な測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る測定装置及びその調整方法を、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係り、各種パターンの位置測定光学系の模式図である。

図２（ａ）は、位置調整機構の正面図であり、（ｂ）は、その側面図であり、（ｃ）は、その平面図である。

図３（ａ）は、「光学像の歪み」調整前に於ける光学像の状態を示す模式図であり、（ｂ）は、「光学像の歪み」調整後に於ける光学像の状態を示す模式図である。

図１に示すように、例えばウェハ上に形成される各種パターンの位置測定光学系は、照明光学系、結像光学系、及び画像処理手段からなる。

照明光学系に於いては、光源（ハロゲンランプ）１のフィラメント像は、光源用第１及び第２リレーレンズ２，３にて、光ファイバ４のファイバ入射端面に投影される。この照明光は、光ファイバ４を介して、照明用第１及び第２リレーレンズ５，６にて、照明開口絞り７に投影される。なお、光ファイバ４の出射端面と、照明用第１リレーレンズ６との間には、光学的拡散板（レモンスキン）２０が配置されている。

その後、照明用第３リレーレンズ８、視野絞り９、及び照明用第４リレーレンズ１０を通り、落射プリズム１１にて、９０度方向に反射され、結像絞り１２、第１対物レンズ１３を通り、ウェハ１４に照明される。なお、ウェハ１４は、移動ステージ１６上のウェハホルダー１５に載置してあり、ウェハ１４には、測定対象パターンが形成してある。

結像光学系に於いては、ウェハ１４の測定対象パターンで反射された光は、再び第１対物レンズ１３を通り、結像開口絞り１２を通り、落射プリズム１１、反射ミラー２１、及び第２対物レンズ１７を通過後、ＣＣＤカメラ１８の撮像面にて結像する。

画像処理手段に於いては、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に投影された測定対象パターン像をデジタル信号に変換後、その画像は、画像処理部１９に送られ、測定対象パターンの位置計側か行われる。

さて、本実施の形態では、落射プリズム１１の位置を調整する位置調整機構３０と、反射ミラー２１の位置を調整する位置調整機構３１とが設けてある。

なお、図２に、反射ミラー２１のための位置調整機構３１を例示するが、落射プリズム１１のための位置調整機構３０についても同様に構成することができる。また、反射ミラー２１の位置調整方向は、反射面に沿った方向であり、一方向であるが、二方向であってもよい。

位置調整機構３０は、図２に示すように、その基本構成部品は、台座部品５１、及び移動テーブル５２である。

すなわち、台座部品５１に対して、移動テーブル５２が一方向に移動できるように構成してあり、この移動テーブル５２に、反射ミラー２１が装着してある。

この移動テーブル５２を調整つまみ５５により移動することにより、反射ミラー２１の反射ポイントをずらして位置調整を行う。反射ミラー２１の位置調整後には、固定ビス５３により、移動テーブル５２を固定する。

次に、本実施の形態では、図３（ａ）は、ウェハ１４の位置に、試料（理想格子物体）を載置した時に、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に結像した試料の光学像である。この図３（ａ）に示すように、この光学像に、歪みが観察された場合には、以下に示すように、反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の位置を調整して、「光学像の歪み」を極力抑制する。

移動ステージ１６上のウェハ１４の位置に、その格子形状が予め規定された試料（理想格子物体）を載置すると、この試料の光学像がＣＣＤカメラ１８の撮像面に結像される。画像処理部１９により、結像した試料の光学像の歪み量を算出・解析する。

この際、光学像が図３（ａ）に示すような光学像４１であった場合には、画像処理部１９の解析結果に基づいて、光学像４１の歪みの要因となる反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の位置を調整する。その結果、図３（ｂ）に示すような「歪みの少ない」光学像４２を捜し出し、この状態で、反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の位置を固定する。これにより「光学像の歪み」を極力抑制することができる。

具体的には、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に写し出された試料の光学像を、画像処理部１９にて算出・解析を行って、その「光学像の歪み」を定量化する。その数値に対して、許容値内か否かの判定を行う。この定量化及び判定には、所定の評価関数やフローチャートを用いて行うことができる。

判定にて、ＮＧとなった場合（光学像の歪みが大きい場合）には、反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の位置調整を行う。

なお、この調整の際、位置調整方向は、光学像位置がずれないように、反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の反射面方向とする。これは、光学像の状態は、厳密にいえば反射面位置に依存するからである。

このように、図３（ｂ）のような光学像４２を捜し出す作業を、画像処理部１９の解析結果を考慮しながら、複数回繰り返し、移動テーブル５２の位置を繰り返し調整する。

その結果、判定にて、ＯＫとなった場合（光学像の歪みが許容値範囲内となった場合）には、移動テーブル５２の位置を固定する。これにより、「光学像の歪み」を極力抑制することができる。

以上から、本実施の形態によれば、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に結像した試料の光学像の歪み量を算出・解析し、この解析結果に基づいて、照明光学系又は結像光学系の光軸上で、光学像の歪みの要因となる反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の位置を調整するように構成してあることから、現状の方式では調整できない反射系ガラス部品の面精度の影響を極力排除して、高集積化や記憶容量の増加の下で、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に結像する「光学像の歪み」を極力抑えた高精度な測定装置を提供することができる。

（変形例）
上述した実施の形態では、反射系ガラス部品（落射プリズム１１、反射ミラー２１）の位置を調整し、その面精度の影響を排除して、ＣＣＤカメラ１８の撮像面に結像する「光学像の歪み」を抑制しているが、以下に示すように、光学像の歪みの要因となる他の歪み要因光学部品の位置を調整するように構成してあってもよい。この場合にも、この歪み要因光学部品の位置を調整すれば、その影響を極力排除して、「光学像の歪み」を抑えることができる。

なお、光学像の歪みの要因となる歪み要因光学部品は、その入出射面が平坦である光学部品に限られる。これは、その入出射面が曲面であるレンズ等の位置を調整すると、照明光学系又は結像光学系の光軸がずれると共に、収差等が出現する虞れがあるからである。

例えば、１次像の位置に指標板（ガラス板）を配置し、この指標板の光学的下流側にリレー光学レンズ系を介してＣＣＤカメラを配置している場合、ＣＣＤカメラの撮像面に、試料（理想格子物体）の共役な２次光学像と共に、指標板が写し出される。この際、指標板の位置を調整すれば、その影響を極力排除して「光学像の歪み」を抑えることができる。

また、照明光学系又は結像光学系の光軸上で、例えば第２対物レンズ１７とＣＣＤカメラ１８との間に色補正レンズを配置している場合、この色補正レンズの傾斜角度を調整してレンズの色収差等を補正し、これによっても、その影響を極力排除して「光学像の歪み」を抑えることができる。

さらに、ＣＣＤカメラの保護面（保護ガラス）の歪みも、「光学像の歪み」に影響を与える虞れがあることから、ＣＣＤカメラを、その保護面（保護ガラス）に沿って移動し、その影響を極力排除して「光学像の歪み」を抑えることができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、平面ガラスからなる光学部品による「光学像の歪み」を対象とするもので、例えば撮像面の保護ガラス、偏光板、色フィルターなどがあり、種々変形可能である。

本発明の実施の形態に係り、各種パターンの位置測定光学系の模式図である。 （ａ）は、位置調整機構の正面図であり、（ｂ）は、その側面図であり、（ｃ）は、その平面図である。 （ａ）は、「光学像の歪み」調整前に於ける光学像の状態を示す模式図であり、（ｂ）は、「光学像の歪み」調整後に於ける光学像の状態を示す模式図である。 従来に係り、各種パターンの位置測定光学系の模式図である。

符号の説明

１ 光源（ハロゲンランプ）
２，３ 光源用第１及び第２リレーレンズ
４ 光ファイバ
５，６ 照明用第１及び第２リレーレンズ
７ 照明開口絞り
８ 照明用第３リレーレンズ
９ 視野絞り
１０ 照明用第４リレーレンズ
１１ 落射プリズム
１２ 結像絞り
１３ 第１対物レンズ
１４ ウェハ
１５ ウェハホルダー
１６ 移動ステージ
１７ 第２対物レンズ
１８ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１９ 画像処理部
２０ 光学的拡散板（レモンスキン）
２１ 反射ミラー
３０，３１ 位置調整機構
４１ 光学像（調整前）
４２ 光学像（調整後）
５１ 台座
５２ 移動テーブル
５３ 固定ビス
５５ 調整つまみ

Claims (4)

1. 試料へ照明光を供給するための光源を有する照明光学系と、
   前記試料の光学像を観察する結像光学系と、
   前記光学像を撮像手段で取り込み画像処理を行う画像処理手段と、を具備した測定装置において、
   前記撮像手段の撮像面に結像した前記試料の光学像の歪み量を算出する解析手段と、
   前記解析手段の解析結果に基づいて、前記照明光学系又は前記結像光学系の光軸上で、入出射面が略平坦であり前記光学像の歪みの要因となる歪み要因光学部品の位置を、前記光学像の位置が変化せず、かつ前記入出射面の反射ポイントがずれるように前記入射出面に平行な方向に移動して調整する位置調整機構と、を備えることを特徴とする測定装置。
2. 前記歪み要因光学部品は、落射プリズム、反射ミラー、指標板、色補正ガラス、及び前記撮像手段の保護面のうち、何れか少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 試料へ照明光を供給するための光源を有する照明光学系と、
   前記試料の光学像を観察する結像光学系と、
   前記光学像を撮像手段で取り込み画像処理を行う画像処理手段と、を具備した測定装置において、
   前記撮像手段の撮像面に結像した前記試料の光学像の歪み量を算出する解析工程と、
   前記解析工程の解析結果に基づいて、前記照明光学系又は前記結像光学系の光軸上で、入出射面が略平坦であり前記光学像の歪みの要因となる歪み要因光学部品の位置を、前記光学像の位置が変化せず、かつ前記入出射面の反射ポイントがずれるように前記入射出面に平行な方向に移動して調整する位置調整工程と、を備えることを特徴とする測定装置の調整方法。
4. 前記歪み要因光学部品は、落射プリズム、反射ミラー、指標板、色補正ガラス、及び前記撮像手段の保護面のうち、何れか少なくとも一つであることを特徴とする請求項３に記載の測定装置の調整方法。

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