JP7620355B2 - Overlay measurement apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、オーバーレイ測定装置及び方法に関する。 The present invention relates to an overlay measurement device and method.
技術発展に伴い、半導体デバイスのサイズが小さくなり、集積回路の密度増加が求められている。このような要件を満たすためには、様々な条件が満たされなければならず、その中でも、オーバーレイ許容誤差は重要な指標の1つである。 As technology advances, the size of semiconductor devices is shrinking, and there is a demand for increased density in integrated circuits. To meet these requirements, various conditions must be met, among which overlay tolerance is one of the key indicators.
半導体デバイスは、数多くの製造プロセスによって製造される。集積回路をウェハーに形成するためには、所望の回路構造及び要素が特定の位置に順次形成されるように多くの製造プロセスを経なければならない。製造プロセスは、ウェハー上にパターン化された層を順次生成するようにする。このような繰り返される積層工程を介して集積回路内に電気的に活性化されたパターンを生成する。このとき、それぞれの構造が生産工程で許容される誤差範囲以内に整列されなければ、電気的に活性化されたパターン同士の間に干渉が起こり、このような現象により製造された回路の性能及び信頼性に問題が生じるおそれがある。このような層間の位置合わせ誤差を測定及び検証するために、オーバーレイ測定ツールが使用される。 Semiconductor devices are manufactured through a number of manufacturing processes. To form an integrated circuit on a wafer, many manufacturing processes must be performed so that the desired circuit structures and elements are formed sequentially at specific locations. The manufacturing processes sequentially create patterned layers on the wafer. Through these repeated stacking steps, electrically activated patterns are created in the integrated circuit. If the structures are not aligned within the tolerance range allowed by the production process, interference will occur between the electrically activated patterns, which may cause problems with the performance and reliability of the manufactured circuit. Overlay metrology tools are used to measure and verify such alignment errors between layers.
一般なオーバーレイ測定及び方法は、2つの層間の位置合わせが許容誤差内にあるか否かを測定及び検証する。その一つの方法として、基板上で特定の位置にオーバーレイマークと呼ばれる構造物を形成し、この構造物を光学的なイメージ取得装備で撮影してオーバーレイを測定する方法がある。測定のための構造物は、それぞれの層ごとにX方向及びY方向のうちの少なくとも一方向のオーバーレイを測定することができるように設計されている。各構造物は、対称構造に設計されており、対称方向に配置された構造物間の中心値を計算してその層の代表値として使用し、そのそれぞれの層の代表値の相対的な差異を計算してオーバーレイ誤差を導出する。 A common overlay measurement method measures and verifies whether the alignment between two layers is within a tolerance. One method is to form a structure called an overlay mark at a specific position on a substrate and measure the overlay by photographing this structure with optical image acquisition equipment. The measurement structure is designed to measure the overlay in at least one of the X and Y directions for each layer. Each structure is designed to be symmetrical, and the center value between the structures arranged in the symmetrical direction is calculated and used as a representative value for that layer, and the relative difference between the representative values of each layer is calculated to derive the overlay error.
2つの層のオーバーレイを測定する場合には、図1及び図2に示すように、四角形の主尺(outer box)1、主尺1に比べて小さい四角形の副尺(inner box)2を、連続した2つの層にそれぞれ形成した後、図3及び図4に示すように、主尺1に焦点を合わせた後、位置別強度(intensity)の変化を示す波形を取得して主尺1の中心値C1を取得し、副尺2に焦点を合わせた後、位置別強度の変化を示す波形を取得して副尺2の中心値C2を取得することにより、2層間のオーバーレイ誤差を測定する。
When measuring the overlay of two layers, as shown in Figures 1 and 2, a rectangular main box (outer box) 1 and a rectangular secondary box (inner box) 2 smaller than the
しかし、このような従来の方法は、主尺1が形成された層と、副尺2が形成された層との高さ差が大きい場合には、主尺1と副尺2のうちのいずれか一方に焦点を合わせると、もう一方に焦点が合わないためぼやけて表示されるという問題がある。
However, this conventional method has the problem that if there is a large difference in height between the layer on which the
また、主尺1と副尺2とが互いに異なる層に互いに異なる物質で形成され、主尺1は副尺2が形成された層によって覆われているという点などを考慮せず、同じビームを用いて主尺1と副尺2の波形又はイメージを取得するという点において問題がある。
Furthermore, there is a problem in that the waveforms or images of the
半導体工程技術の発展により高さ差が大きく、光学的性質の異なる層間のオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定する必要がある現在では、これらの問題点の解決に対する要求がますます高まっている。 Advances in semiconductor processing technology mean that there is now a need to measure overlay errors between layers with large height differences and different optical properties accurately and quickly, creating an ever-increasing demand for solutions to these problems.
本発明は、上述した問題点を改善するためのもので、その目的は、高さ差が大きく、光学的性質の異なる層間のオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定することができる新規なオーバーレイ測定装置及び方法を提供することにある。 The present invention aims to improve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a new overlay measurement device and method that can accurately and quickly measure the overlay error between layers with large height differences and different optical properties.
上記目的を達成するために、本発明は、互いに異なる層にそれぞれ形成された第1のオーバーレイマークと第2のオーバーレイマークとを含むオーバーレイマークが形成されたサンプルの層間オーバーレイ誤差を測定するオーバーレイ測定装置であって、前記第1のオーバーレイマークと前記第2のオーバーレイマークとの高さ差Δhを検出するように構成された高さ差検出光学系と、前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすように構成された照明光学系と、前記オーバーレイマークからの反射光を第1のビームと第2のビームに分離するように構成されたメインビームスプリッターと、前記第1のビームを受光して前記第1のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第1のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第1の検出器と、前記第2のビームを受光して、前記第2のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第2のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第2の検出器と、前記第1のビームを前記第1の検出器に結像させるように構成された結像光学系と、前記高さ差に基づいて前記第2のビームの光路長を調節する光路調節部、及び前記メインビームスプリッターと前記第2の検出器との間に配置され、前記第2のビームを前記第2の検出器に結像させるテレセントリックレンズを含むテレセントリック結像光学系と、を備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides an overlay measurement device for measuring an interlayer overlay error of a sample on which an overlay mark is formed, the interlayer overlay error being measured, the interlayer overlay error being measured by a height difference detection optical system configured to detect a height difference Δh between the first overlay mark and the second overlay mark, an illumination optical system configured to illuminate the overlay mark on the sample, a main beam splitter configured to split the reflected light from the overlay mark into a first beam and a second beam, and a beam splitter configured to receive the first beam and focus on the first overlay mark. The present invention provides an overlay measurement device comprising: a first detector configured to generate a first overlay mark image focused on the main beam splitter; a second detector configured to receive the second beam and generate a second overlay mark image focused on the second overlay mark; an imaging optical system configured to image the first beam on the first detector; an optical path adjustment unit that adjusts the optical path length of the second beam based on the height difference; and a telecentric imaging optical system that is disposed between the main beam splitter and the second detector and includes a telecentric lens that images the second beam on the second detector.
また、前記光路調節部は、前記メインビームスプリッターと前記第2の検出器との間に配置され、前記第2のビームを前記第2の検出器に向けて反射させる少なくとも1つのミラーと、少なくとも1つの前記ミラーを直線移動させて前記第2のビームの前記光路長を調節するように構成されたミラーステージと、前記高さ差に基づいて前記ミラーステージを制御するように構成された制御器と、を備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement device, characterized in that the optical path adjustment unit includes at least one mirror disposed between the main beam splitter and the second detector and reflecting the second beam toward the second detector, a mirror stage configured to adjust the optical path length of the second beam by linearly moving the at least one mirror, and a controller configured to control the mirror stage based on the height difference.
また、前記制御器は、前記高さ差と前記第2のオーバーレイマークイメージの拡大倍率との積に比例して前記第2のビームの前記光路が延長され、前記延長された前記第2のビームの前記光路が前記第1のビームの光路に比べて長くなるように前記ミラーステージを制御することを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。 The controller also provides an overlay measurement device, characterized in that it controls the mirror stage so that the optical path of the second beam is extended in proportion to the product of the height difference and the magnification of the second overlay mark image, and the extended optical path of the second beam is longer than the optical path of the first beam.
また、前記結像光学系は、前記第1の検出器の前段に配置され、前記第1のビームの中心波長及びバンド幅を前記第1のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第1の光学フィルターをさらに備え、前記テレセントリック結像光学系は、前記第2の検出器の前段に配置され、前記第2のビームの中心波長及びバンド幅を前記第2のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第2の光学フィルターをさらに備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement device, characterized in that the imaging optical system further includes a first optical filter arranged in front of the first detector and adjusting the central wavelength and bandwidth of the first beam for acquiring the first overlay mark image, and the telecentric imaging optical system further includes a second optical filter arranged in front of the second detector and adjusting the central wavelength and bandwidth of the second beam for acquiring the second overlay mark image.
また、前記第1の光学フィルターと前記第2の光学フィルターは、線形または回転型の可変フィルターであることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement device, characterized in that the first optical filter and the second optical filter are linear or rotary variable filters.
また、第1のオーバーレイマークイメージと前記第2のオーバーレイマークイメージとが同時に生成されるように前記第1の検出器と前記第2の検出器とが同期化されていることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement device, characterized in that the first detector and the second detector are synchronized so that the first overlay mark image and the second overlay mark image are generated simultaneously.
また、本発明は、互いに異なる層にそれぞれ形成された第1のオーバーレイマークと第2のオーバーレイマークとを含むオーバーレイマークが形成されたサンプルの層間オーバーレイ誤差を測定するオーバーレイ測定方法であって、前記第1のオーバーレイマークと前記第2のオーバーレイマークとの高さ差Δhを検出するステップと、前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすステップと、前記オーバーレイマークからの反射光を第1のビームと第2のビームに分離させるステップと、前記第1のビームを第1の検出器に結像させるステップと、前記第2のオーバーレイマークに焦点が合うように、前記高さ差Δhに基づいて、前記第2のビームの光路長を調節するステップと、テレセントリックレンズを通過し、長さが調節された光路を経た前記第2のビームを第2の検出器に結像させるステップと、前記第1の検出器で、前記第1のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第1のオーバーレイマークイメージを生成し、前記第2の検出器で、前記第2のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第2のオーバーレイマークイメージを生成するステップと、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement method for measuring an interlayer overlay error of a sample on which an overlay mark is formed, the interlayer overlay error being measured, the interlayer overlay error being measured on the ... The present invention provides an overlay measurement method, comprising the steps of: adjusting the optical path length of the second beam based on the height difference Δh so that the second beam is focused on the overlay mark; imaging the second beam, which has passed through a telecentric lens and traveled through an optical path whose length has been adjusted, on a second detector; generating a first overlay mark image focused on the first overlay mark with the first detector, and generating a second overlay mark image focused on the second overlay mark with the second detector.
また、前記高さ差と前記第2のオーバーレイマークイメージの拡大倍率との積に比例して前記第2のビームの前記光路が延長され、前記延長された前記第2のビームの前記光路が前記第1のビームの光路に比べて長くなるように前記第2のビームの光路長が調節されることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement method, characterized in that the optical path of the second beam is extended in proportion to the product of the height difference and the magnification of the second overlay mark image, and the optical path length of the second beam is adjusted so that the optical path of the extended second beam is longer than the optical path of the first beam.
また、前記第1のビームの中心波長及びバンド幅を前記第1のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、前記第2のビームの中心波長及びバンド幅を前記第2のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、をさらに含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement method, further comprising the steps of adjusting the central wavelength and bandwidth of the first beam for acquiring the first overlay mark image, and adjusting the central wavelength and bandwidth of the second beam for acquiring the second overlay mark image.
また、前記第1のビームの中心波長と前記第2のビームの中心波長とは互いに異なることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement method, characterized in that the central wavelength of the first beam and the central wavelength of the second beam are different from each other.
また、前記第1のオーバーレイマークイメージと前記第2のオーバーレイマークイメージとが同時に生成されるように前記第1の検出器と前記第2の検出器とが同期化されていることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。 The present invention also provides an overlay measurement method, characterized in that the first detector and the second detector are synchronized so that the first overlay mark image and the second overlay mark image are generated simultaneously.
本発明によるオーバーレイ測定装置及び方法は、高さ差が大きく、光学的性質が互いに異なる層間のオーバーレイ誤差を正確且つ高速に測定することができるという利点がある。 The overlay measurement device and method according to the present invention have the advantage of being able to accurately and quickly measure overlay errors between layers that have large height differences and different optical properties.
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲は以下に詳述する実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面における要素の形状などは、より明確な説明を強調するために誇張されたものであり、図面上において同一の符号で表示された要素は、同一の要素を意味する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited to the embodiment described in detail below. The embodiment of the present invention is provided to more completely explain the present invention to those having ordinary skill in the art. Therefore, the shapes of elements in the drawings are exaggerated to emphasize a clearer explanation, and elements represented by the same reference numerals in the drawings refer to the same elements.
図5は、本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置の概念図である。オーバーレイ測定装置は、半導体ウェハーなどのサンプルの互いに異なる層にそれぞれ形成された第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との誤差を測定して、互いに異なる層間のオーバーレイ誤差を測定する装置である。 Figure 5 is a conceptual diagram of an overlay measurement device according to one embodiment of the present invention. The overlay measurement device is a device that measures the error between a first overlay mark OM1 and a second overlay mark OM2 formed on different layers of a sample such as a semiconductor wafer, thereby measuring the overlay error between the different layers.
例えば、図9に示すように、第2のオーバーレイマークOM2は、以前層に形成されたオーバーレイマークであり、第1のオーバーレイマークOM1は、現在層に形成されたオーバーレイマークであり得る。オーバーレイマークは、半導体ウェハーのダイ(die)領域に半導体デバイス形成のための層を形成すると同時に、スクライブレーン(scribe lane)に形成される。例えば、第2のオーバーレイマークOM2は、絶縁膜パターンと共に形成され、第1のオーバーレイマークOM1は、絶縁膜パターン上に形成されるフォトレジストパターンと共に形成され得る。 For example, as shown in FIG. 9, the second overlay mark OM2 may be an overlay mark formed on a previous layer, and the first overlay mark OM1 may be an overlay mark formed on a current layer. The overlay marks are formed in a scribe lane at the same time as forming a layer for forming a semiconductor device in a die area of a semiconductor wafer. For example, the second overlay mark OM2 may be formed together with an insulating film pattern, and the first overlay mark OM1 may be formed together with a photoresist pattern formed on the insulating film pattern.
このような場合、第1のオーバーレイマークOM1は、外部に露出しているが、第2のオーバーレイマークOM2は、フォトレジスト層によって覆われた状態であり、フォトレジスト材料からなる第1のオーバーレイマークOM1とは光学的性質の異なる酸化物からなる。また、第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との焦点面は、互いに異なる。 In such a case, the first overlay mark OM1 is exposed to the outside, but the second overlay mark OM2 is covered with a photoresist layer and is made of an oxide whose optical properties are different from those of the first overlay mark OM1, which is made of a photoresist material. In addition, the focal planes of the first overlay mark OM1 and the second overlay mark OM2 are different from each other.
本発明は、第1のオーバーレイOM1に焦点を合わせた状態で第1のオーバーレイマークOM1をなす材料の光学的性質に適合したビームを用いて第1のオーバーレイマークイメージI1を取得する。そして、第2のオーバーレイマークOM2に焦点を合わせた状態で第2のオーバーレイマークOM2をなす材料の光学的性質に適合したビームを用いて第2のオーバーレイマークイメージI2を取得する。そして、これらの第1のオーバーレイマークイメージI2と第2のオーバーレイマークイメージI2を用いてオーバーレイ誤差を正確かつ高速に測定することができる。 The present invention obtains a first overlay mark image I1 using a beam that is adapted to the optical properties of the material that constitutes the first overlay mark OM1 while focused on the first overlay mark OM1. Then, a second overlay mark image I2 is obtained using a beam that is adapted to the optical properties of the material that constitutes the second overlay mark OM2 while focused on the second overlay mark OM2. Then, the overlay error can be measured accurately and quickly using these first overlay mark image I2 and second overlay mark image I2.
オーバーレイマークとしては、ボックスインボックス(box in box、BIB、図1参照)やAIM(advanced imaging metrology)オーバーレイマークなど、現在使用されている様々な形態のオーバーレイマークを用いることができる。以下では、主に構造が単純なボックスインボックス形態のオーバーレイマークを基準に説明する。 As the overlay mark, various types of overlay marks currently in use can be used, such as a box-in-box (BIB, see FIG. 1) or an AIM (advanced imaging metrology) overlay mark. The following description will be based mainly on a box-in-box type overlay mark, which has a simple structure.
図5に示すように、本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置は、高さ差検出光学系10と、照明光学系20と、メインビームスプリッター30と、第1の検出器40と、第2の検出器50と、結像光学系60と、テレセントリック結像光学系70と、を備える。
As shown in FIG. 5, an overlay measurement device according to one embodiment of the present invention includes a height difference detection
高さ差検出光学系10は、第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との高さ差Δhを測定する役割を果たす。高さ差検出光学系10は、様々な光学素子を用いて構成することができる。高さ差検出光学系10は、オートフォーカス用光学系としても使用することができる。
The height difference detection
例えば、高さ差検出光学系10は、図5に示すように、光源11と、光源11からのビームを平行にする視準器13(collimation lens)と、ビームスプリッター15と、イメージセンサー19と、を備えることができる。また、結像光学系60、照明光学系40及びテレセントリック結像光学系70と共通に使用するホットミラー17、ビームスプリッター31及び対物レンズ32をさらに備えることができる。
For example, as shown in FIG. 5, the height difference detection
光源11としては、レーザーダイオードまたは発光ダイオードを用いることができる。 光源11は赤外線波長帯域の光を生成することができる。
A laser diode or a light-emitting diode can be used as the
光源11で生成された光は、視準器13、ビームスプリッター15を透過する。光源11としてレーザーを用いる場合には、ビームスプリッター15として偏光ビームスプリッターを用いることができる。反射及び透過過程で光量が減少することを最小限に抑えることができるからである。
The light generated by the
ホットミラー17は、赤外線波長帯域に属する光を反射させる役割を果たす。ホットミラー17で反射された光は、ビームスプリッター31を透過して対物レンズ32に入射する。
The
対物レンズ32は、光をサンプルSの表面の測定位置に集光させ、測定位置での反射された反射光を収集する役割を果たす。対物レンズ32で収集された反射光は、再びビームスプリッター31を透過した後、ホットミラー17で反射される。ホットミラー17で反射された反射光は、ビームスプリッター15からイメージセンサー19側へ反射された後、フォーカスレンズ18によってイメージセンサー19に集光する。赤外線波長帯域に属する光は、ホットミラー17を透過しないので、第1の検出器40には、高さ差の測定に使用される光が入射しない。
The
イメージセンサー19は、サンプルSからの反射光を受光する。イメージセンサー19は、CCDセンサー又はCMOSセンサーであり得る。イメージセンサー19からの画像のコントラスト(Contrast)を分析すると、焦点が合っているか否かを判断することができる。したがって、対物レンズ32とサンプルSとの間の距離による検出器19からの光学信号を分析することにより、第1のオーバーレイマークOM1に焦点が合ったときの対物レンズ32の位置と、第2のオーバーレイマークOM2に焦点が合ったときの対物レンズ32の位置を見つけることができる。そして、これらの位置を比較すると、第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との高さ差Δhを確認することができる。
The
照明光学系20は、オーバーレイマークに照明を照らす役割を果たす。照明光学系は、多様な光学要素を用いて構成することができる。例えば、図5に示すように、照明光学系20は、照明源21、ビームスプリッター22、第1のカラーフィルター24、第2のカラーフィルター25、ミラー23、27、ビームコンバイナー(beam combiner)26、及び対物レンズ32を備えることができる。
The illumination
照明源21は、広い波長帯域の光を発生させる。照明源21としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、スーパーコンチニウムレーザー(supercontinuum laser)、発光ダイオード、レーザー励起ランプ(lase induced lamp)などを用いることができる。
The
ビームスプリッター22は、照明源21から出たビームを2つのビームに分離させる役割を果たす。すなわち、ビームスプリッター22は、照明源21から出たビームの一部を透過させ、一部は反射させることにより、照明源21から出たビームを2つのビームに分離させる。
The
第1のカラーフィルター24は、ビームスプリッター22で分離されたビームのうち、ビームスプリッター22を透過したビームの中心波長及びバンド幅を、現在層に形成された第1のオーバーレイマークOM1の検出に適合するように調節する役割を果たす。例えば、第1のオーバーレイマークOM1をなす物質に対する反射率が高くなるように中心波長を調節することができる。第1のカラーフィルター24は、例えば、互いに並んで配置された複数の円形または線形の可変フィルターを含むことができる。
The
図6は、図5に示された第1のカラーフィルターを通過した第1の照明の波長による強度(intensity)を示す図である。図6に示すように、第1のカラーフィルター24を通過した第1の照明は、中心波長が短くなり、バンド幅が減少する。
Figure 6 is a diagram showing the intensity of the first illumination passing through the first color filter shown in Figure 5 according to wavelength. As shown in Figure 6, the first illumination passing through the
第2のカラーフィルター25は、ビームスプリッター22で分離されたビームのうち、ビームスプリッター22で反射されたビームの中心波長及びバンド幅を、以前層に形成された第2のオーバーレイマークOM2の検出に適合するように調節する役割を果たす。例えば、第1のオーバーレイマークOM1をなす物質に対する透過率が高く、オーバーレイマークOM1をなす物質に対する反射率が高くなるように中心波長を調節することができる。第2のカラーフィルター25は、例えば、互いに並んで配置された複数の円形または線形の可変フィルターを含むことができる。
The
ビームスプリッター22で反射されたビームは、ビームスプリッター22と第2のカラーフィルター25との間に設置されたミラー(mirror)23によって、第2のカラーフィルター25に向かうようにビームの経路が変更される。
The beam reflected by the
図7は、図5に示された第2のカラーフィルターを通過した第2の照明の波長による強度を示す図である。図7に示すように、第2のカラーフィルター25を通過した第2の照明は、中心波長が長くなり、バンド幅が減少する。
Figure 7 is a diagram showing the intensity of the second illumination passing through the second color filter shown in Figure 5 depending on the wavelength. As shown in Figure 7, the second illumination passing through the
ビームコンバイナー26は、第1の照明と第2の照明とを合わせる役割を果たす。例えば、第1の照明はビームコンバイナー26を透過し、第2の照明はミラー27によってビームコンバイナー26に向かうようにビームの経路が変更された後、ビームコンバイナー26で反射され、ビームコンバイナー26を透過した第1の照明と再び合わせられる。
The
図8は、図5に示されたビームコンバイナーを通過した照明の波長による強度を示す図である。図8に示すように、ビームコンバイナー26を通過した照明は、第1の照明の波長帯域と第2の照明の波長帯域の両方を含む。
Figure 8 is a diagram showing the intensity by wavelength of the illumination passing through the beam combiner shown in Figure 5. As shown in Figure 8, the illumination passing through the
ビームコンバイナー26で合わせられた照明は、リレーレンズ28を経てビームスプリッター31で反射されて対物レンズ32に向かう。
The illumination combined by the
対物レンズ32は、ビームスプリッター31で反射された照明をサンプルSの測定位置に集光させ、測定位置での反射されたビームを収集する役割を果たす。対物レンズ32は、対物レンズ32とサンプルSとの距離を調節するためのレンズ焦点アクチュエータ33(lens focus actuator)に設置される。
The
図9に示すように、第1の照明(実践)と第2の照明(破線)とが一緒にサンプルSに照らされる。 As shown in FIG. 9, a first illumination (solid) and a second illumination (dashed) are irradiated together on the sample S.
メインビームスプリッター30は、対物レンズ32で収集されたビームを2つのビームに分離する役割を果たす。メインビームスプリッター30は、入射光をスペクトル的に区別される2つの出力ビームに分けるビームスプリッター30であり得る。例えば、メインビームスプリッター30は、チューブビームスプリッターとダイクロイックフィルター(dichroic filter)を含むことができる。ダイクロイックフィルターは、特定波長のビームを透過させるフィルターである。対物レンズ32で収集されたビームは、ビームスプリッター31とホットミラー17を透過した後、メインビームスプリッター30で2つのビームに分離される。すなわち、第1のオーバーレイマークOM1検出用第1のビームと第2のオーバーレイマークOM2検出用第2のビームに分離される。第1のビームは実質的に第1の照明と波長帯域が同一であってもよく、第2のビームは第2の照明と波長帯域が同一であってもよい。
The
図6及び図7に示すように、第1のオーバーレイマークOM1の検出に適合した第1の照明と、第2のオーバーレイマークOM2の検出に適合した第2の照明とは、中心波長に差異があり、バンド幅が狭いので、ダイクロイックフィルターを用いて容易に2つのビームに分離させることができる。 As shown in Figures 6 and 7, the first illumination suitable for detecting the first overlay mark OM1 and the second illumination suitable for detecting the second overlay mark OM2 have different central wavelengths and narrow bandwidths, so they can be easily separated into two beams using a dichroic filter.
第1の検出器40は、メインビームスプリッター30で分離されたビームのうちの1つである第1のビームを受光して第1のオーバーレイマークイメージI1を生成する役割を果たす。
The
図10は、図5に示された第1の検出器で取得された第1のオーバーレイマークイメージI1を示す図である。図10に示すように、第1の検出器40で取得された第1のオーバーレイマークイメージI1は、第1のオーバーレイマークOM1が鮮明に表示され、第2のオーバーレイマークOM2はぼやけて表示される。第1のオーバーレイマークOM1を基準に焦点が合わせられているからである。
Figure 10 is a diagram showing the first overlay mark image I1 acquired by the first detector shown in Figure 5. As shown in Figure 10, in the first overlay mark image I1 acquired by the
第2の検出器50は、メインビームスプリッター30で分離されたビームのうちのもう一つである第2のビームを受光して第2のオーバーレイマークイメージI2を生成する役割を果たす。
The
第2の検出器50は、第1の検出器40と同期化されることができる。オーバーレイ測定過程における振動によって発生しうる誤差を最小限に抑えるためである。第1の検出器40と第2の検出器50との同期化は、例えば、検出器コントローラ82でソフトウェア同期化信号を生成し、検出器40、50へ伝達する方法によって行われることができる。このとき、信号の遅延を防ぐために、生成された同期化信号は、光ケーブルを経て検出器40、50へ伝達されることができる。同期化信号は、別途の外部トリガーソースで生成されてもよい。
The
図11は、図5に示された第2の検出器で取得された第2のオーバーレイマークイメージI2を示す図である。図11に示すように、第2の検出器50で取得された第2のオーバーレイマークイメージI2は、第2のオーバーレイマークOM2が鮮明に表示され、第1のオーバーレイマークOM1はぼやけて表示される。テレセントリック結像光学系70によって第2のオーバーレイマークOM2が鮮明に表示されるように第2のビームの光路が調節されたからである。
Figure 11 is a diagram showing the second overlay mark image I2 acquired by the second detector shown in Figure 5. As shown in Figure 11, in the second overlay mark image I2 acquired by the
図10のイメージと図11のイメージとを位置合わせると、図12に示すように、第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2の両方が鮮明に表示されたオーバーレイマークイメージを取得することができる。 By aligning the image in FIG. 10 with the image in FIG. 11, an overlay mark image can be obtained in which both the first overlay mark OM1 and the second overlay mark OM2 are clearly displayed, as shown in FIG. 12.
結像光学系60は、第1のビームを第1の検出器40に結像させる役割を果たす。
The
図5に示すように、結像光学系60は、チューブレンズ65と第1の光学フィルター68とを含むことができる。また、結像光学系60は、他の光学系の対物レンズ32、ビームスプリッター31、ホットミラー17、メインビームスプリッター30も使用する。
As shown in FIG. 5, the imaging
対物レンズ32は、サンプルSから反射された光を収集する。 対物レンズ32で収集された光は、メインビームスプリッター30で第1のビームと第2のビームに分割される。メインビームスプリッター30を透過した第1のビームは、チューブレンズ65によって第1の検出器40に集光する。このとき、第1のオーバーレイマークを基準に焦点を合わせる。したがって、第1の検出器40で生成された第1のオーバーレイマークイメージI1では、第1のオーバーレイマークOM1が鮮明に表示され、第2のオーバーレイマークOM2は相対的にぼやけて表示される。
The
第1の光学フィルター68は、第1の検出器40の前段に配置され、第1のビームの中心波長及びバンド幅を第1のオーバーレイマークイメージI1取得用に二次調整する役割を果たす。 第1の光学フィルター68は、線形の可変フィルターまたは回転型の可変フィルターであり得る。 いくつかの実施形態において、第1の光学フィルター68は省略されてもよい。
The first
テレセントリック結像光学系70は、第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との高さ差Δhに基づいて第2のビームの光路長を調節して第2のビームを第2の検出器50に結像させる役割を果たす。また、第2のビームの主光線が第2の検出器50に垂直に入射するようにする役割を果たす。
The telecentric imaging
テレセントリック結像光学系70は、光路調節部75と、テレセントリックレンズ77と、第2の光学フィルター78と、を含む。
The telecentric imaging
光路調節部75は、ミラー71、72、73と、ミラーステージ74と、制御器79とを含む。ミラー71、72、73は、メインビームスプリッター30から反射された第2のビームを反射させて第2の検出器50に入射させる役割を果たす。本実施形態において、光路調節部75は3つのミラー71、72、73を含む。
The optical
いくつかの実施形態において、ミラーステージ74は、図中の右側に配置される2つのミラー71、72を同時に直線移動させる役割を果たすことができる。これらの2つのミラー71、72を図面上の右側に移動させると、メインビームスプリッター30とミラー71との距離と、ミラー72、73同士間の距離が遠くなることにより、光路が長くなる。
In some embodiments, the
制御器79は、高さ差Δhに基づいてミラーステージ74の移動距離を調節する役割を果たす。制御器79は、第2のビームの全光路が第1のビームの全光路に比べて高さ差Δhと第2のオーバーレイマークイメージI2の拡大倍率との積に基づいてミラーステージ74を移動させる。第2のオーバーレイマークイメージI2の拡大倍率は、実際の第2のオーバーレイマークOM2の大きさとイメージ上における第2のオーバーレイマークの大きさとの比率を意味する。
The
いくつかの実施形態において、第2のオーバーレイマークイメージI2の拡大倍率は、第1のオーバーレイマークイメージI1の拡大比率と同一であってもよい。 In some embodiments, the magnification of the second overlay mark image I2 may be the same as the magnification of the first overlay mark image I1.
テレセントリックレンズ77は、第2のビームの光路の距離とイメージの拡大倍率とを独立にする役割を果たす。テレセントリックレンズ77は、光軸と第2のビームの主光線とが平行をなすと見なされるレンズである。テレセントリックレンズ77は、メインビームスプリッター30と第2の検出器50との間に配置されることができる。例えば、メインビームスプリッター30と光路調節部75との間に配置されることができる。
The
テレセントリックレンズ77を用いるので、第2のビームの光路が変化しても、第2のオーバーレイマークイメージI2の拡大倍率を固定させることができる。したがって、測定された高さ差Δhに比例してミラーステージ74の移動距離を調節する方法で拡大倍率の変更なしに焦点を合わせることができる。第2の検出器50で生成された第2のオーバーレイマークイメージI2では、第2のオーバーレイマークOM2が鮮明に表示され、第1のオーバーレイマークOM1は相対的にぼやけて表示される。
Since the
第2の光学フィルター78は、第2の検出器50の前段に配置され、第2のビームの中心波長およびバンド幅を第2のオーバーレイマークイメージI2取得用に二次調整する役割を果たす。第2の光学フィルター78は、線形の可変フィルターまたは回転型の可変フィルターであり得る。いくつかの実施形態において、第2の光学フィルター78は省略されてもよい。
The second
以下では、上述したオーバーレイ測定装置を用いたオーバーレイ測定方法について説明する。 Below, we explain the overlay measurement method using the above-mentioned overlay measurement device.
図13に示すように、オーバーレイ測定方法は、第1のオーバーレイマークと第2のオーバーレイマークとの高さ差Δhを検出するステップ(S1)と、サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすステップ(S2)と、オーバーレイマークからの反射光を2つのビームに分離させるステップ(S3)と、第1のビームを第1の検出器に結像させるステップ(S4)と、第2のビームの光路長を調節するステップ(S5)と、テレセントリックレンズを通過し、長さが調節された光路を経た第2のビームを第2の検出器に結像させるステップ(S6)と、第1の検出器で第1のオーバーレイマークイメージI1を生成し、第2の検出器で第2のオーバーレイマークイメージI2を生成するステップ(S7)と、を含む。 As shown in FIG. 13, the overlay measurement method includes the steps of detecting the height difference Δh between the first overlay mark and the second overlay mark (S1), illuminating the overlay mark on the sample (S2), splitting the reflected light from the overlay mark into two beams (S3), imaging the first beam on a first detector (S4), adjusting the optical path length of the second beam (S5), imaging the second beam that passes through a telecentric lens and has a length-adjusted optical path on a second detector (S6), and generating a first overlay mark image I1 on the first detector and a second overlay mark image I2 on the second detector (S7).
第1のオーバーレイマークと第2のオーバーレイマークとの高さ差Δhを検出するステップ(S1)では、コントラスト検出方式や位相差検出方式などのオートフォーカス装置のような高さ差検出光学系を用いて第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との高さ差Δhを検出する。 In step (S1) of detecting the height difference Δh between the first overlay mark and the second overlay mark, the height difference Δh between the first overlay mark OM1 and the second overlay mark OM2 is detected using a height difference detection optical system such as an autofocus device that uses a contrast detection method or a phase difference detection method.
次に、照明光学系を用いてサンプル上のオーバーレイマークに照明を照らす(S2)。 Next, the illumination optical system is used to illuminate the overlay mark on the sample (S2).
図9に示すように、照明は、第1のオーバーレイマークイメージI1の取得に適合した波長帯域と、第2のオーバーレイマークイメージI2の取得に適合した波長帯域とを含む照明であり得る。 As shown in FIG. 9, the illumination may include a wavelength band adapted to obtain a first overlay mark image I1 and a wavelength band adapted to obtain a second overlay mark image I2.
次に、オーバーレイマークからの反射光を2つのビームに分離させる(S3)。第1のビームは、第1のオーバーレイマークのイメージ取得に適合した波長帯域のビームであり、第2のビームは、第2のオーバーレイマークのイメージ取得に適合した波長帯域のビームであり得る。 Next, the reflected light from the overlay mark is split into two beams (S3). The first beam can be a beam in a wavelength band adapted to obtain an image of the first overlay mark, and the second beam can be a beam in a wavelength band adapted to obtain an image of the second overlay mark.
次に、第1のビームを第1の検出器に結像させる(S4)。 Next, the first beam is imaged onto the first detector (S4).
本ステップでは、第1のオーバーレイマークOM1のイメージ取得に適合した波長帯域の第1のビームを第1の検出器40に結像させる。
In this step, a first beam of a wavelength band suitable for acquiring an image of the first overlay mark OM1 is focused onto the
次に、第2のビームの光路長を調節する(S5)。 Next, the optical path length of the second beam is adjusted (S5).
本ステップでは、第2のオーバーレイマークOM2に焦点が合うように、S1ステップで検出された高さ差Δhに基づいて、第2のビームの光路長を調節する。第2のオーバーレイマークOM2が下層に形成されるので、第2のビームの光路を増やさなければならない。 In this step, the optical path length of the second beam is adjusted based on the height difference Δh detected in step S1 so that the second overlay mark OM2 is in focus. Since the second overlay mark OM2 is formed in a lower layer, the optical path length of the second beam must be increased.
次に、テレセントリックレンズを通過した第2のビームを第2の検出器に結像させる(S6)。 Next, the second beam that passes through the telecentric lens is imaged onto a second detector (S6).
本ステップでは、第2のオーバーレイマークOM2のイメージ取得に適合した波長帯域の第2のビームを第2の検出器50に結像させる。
In this step, a second beam of a wavelength band suitable for acquiring an image of the second overlay mark OM2 is focused onto the
次に、第1の検出器から第1のオーバーレイマークイメージI1を生成し、第2の検出器から第2のオーバーレイマークイメージI2を生成する(S7)。 Next, a first overlay mark image I1 is generated from the first detector, and a second overlay mark image I2 is generated from the second detector (S7).
本ステップでは、第1の検出器から第1のオーバーレイマークOM1が鮮明に表示された第1のオーバーレイマークイメージI1を生成する。 In this step, a first overlay mark image I1 is generated from the first detector, in which the first overlay mark OM1 is clearly displayed.
第1のオーバーレイマークOM1と第2のオーバーレイマークOM2との高さ差が大きいため、第1のオーバーレイマークOM1に焦点が合うと、第2のオーバーレイマークOM2には焦点が合わないので、第1のオーバーレイマークイメージI1では、第2のオーバーレイマークOM2がぼやけて表示される。 Due to the large height difference between the first overlay mark OM1 and the second overlay mark OM2, when the first overlay mark OM1 is in focus, the second overlay mark OM2 is not in focus, so the second overlay mark OM2 appears blurry in the first overlay mark image I1.
また、第2の検出器から第2のオーバーレイマークOM2が鮮明に表示された第2のオーバーレイマークイメージI2を生成する。第2のオーバーレイマークイメージI2では、第1のオーバーレイマークOM1がぼやけて表示される。 The second detector also generates a second overlay mark image I2 in which the second overlay mark OM2 is clearly displayed. In the second overlay mark image I2, the first overlay mark OM1 appears blurry.
テレセントリックレンズを通過したため、第2のビームの光路が変化しても、第2のオーバーレイマークイメージI2の拡大倍率が変化しない。テレセントリックレンズを使用しなければ、光路長の変化によって第2のオーバーレイマークイメージI2の拡大倍率が変化するので、第1のオーバーレイマークイメージI1と第2のオーバーレイマークイメージI2とを組み合わせてオーバーレイマークイメージを取得し難い。 Because the second beam passes through a telecentric lens, the magnification of the second overlay mark image I2 does not change even if the optical path of the second beam changes. If a telecentric lens is not used, the magnification of the second overlay mark image I2 changes due to changes in the optical path length, making it difficult to obtain an overlay mark image by combining the first overlay mark image I1 and the second overlay mark image I2.
この場合、いくつかの実施形態において、第1のオーバーレイマークイメージI1と第2のオーバーレイマークイメージI2が同時に生成されるように第1の検出器40と第2の検出器50とが、同期化されることができる。オーバーレイ測定過程での振動によって発生しうる誤差を最小限に抑えるためである。
In this case, in some embodiments, the
そして、第1のオーバーレイマークイメージI1と第2のオーバーレイマークイメージI2とを用いてオーバーレイ誤差を測定する。 Then, the overlay error is measured using the first overlay mark image I1 and the second overlay mark image I2.
以上で説明された実施形態は、本発明の好適な実施形態を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的思想及び特許請求の範囲内でこの分野の当業者によって様々な変更、修正または置換が可能であり、それらの実施形態は本発明の範囲に属するものと理解されるべきである。 The embodiments described above are merely preferred embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the described embodiments. Various changes, modifications, or substitutions may be made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the claims of the present invention, and it should be understood that such embodiments belong to the scope of the present invention.
S サンプル
OM1 第1のオーバーレイマーク
OM2 第2のオーバーレイマーク
10 高さ差測定光学系
20 照明光学系
30 メインビームスプリッター
40 第1の検出器
50 第2の検出器
60 結像光学系
70 テレセントリック結像光学系
S sample OM1 first overlay mark OM2
Claims (11)
前記第1のオーバーレイマークと前記第2のオーバーレイマークとの高さ差(Δh)を検出するように構成された高さ差検出光学系と、
前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすように構成された照明光学系と、
前記オーバーレイマークからの反射光を第1のビームと第2のビームに分離するように構成されたメインビームスプリッターと、
前記第1のビームを受光して、前記第1のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第1のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第1の検出器と、
前記第2のビームを受光して、前記第2のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第2のオーバーレイマークイメージを生成するように構成された第2の検出器と、
前記第1のビームを前記第1の検出器に結像させるように構成された結像光学系と、
前記高さ差に基づいて前記第2のビームの光路長を調節する光路調節部、及び前記メインビームスプリッターと前記第2の検出器との間に配置され、前記第2のビームを前記第2の検出器に結像させるテレセントリックレンズを含むテレセントリック結像光学系と、を備えることを特徴とする、オーバーレイ測定装置。 1. An overlay measurement apparatus for measuring an inter-layer overlay error of a sample having overlay marks formed thereon, the overlay marks including a first overlay mark and a second overlay mark formed on different layers, the apparatus comprising:
a height difference detection optical system configured to detect a height difference (Δh) between the first overlay mark and the second overlay mark;
an illumination optical system configured to illuminate an overlay mark on the sample;
a main beam splitter configured to split reflected light from the overlay mark into a first beam and a second beam;
a first detector configured to receive the first beam and generate a first overlay mark image focused on the first overlay mark;
a second detector configured to receive the second beam and generate a second overlay mark image focused on the second overlay mark;
imaging optics configured to image the first beam onto the first detector;
an optical path adjusting unit that adjusts an optical path length of the second beam based on the height difference; and a telecentric imaging optical system that is disposed between the main beam splitter and the second detector and includes a telecentric lens that images the second beam onto the second detector.
前記メインビームスプリッターと前記第2の検出器との間に配置され、前記第2のビームを前記第2の検出器に向けて反射させる少なくとも1つのミラーと、
少なくとも1つの前記ミラーを直線移動させて前記第2のビームの前記光路長を調節するように構成されたミラーステージと、
前記高さ差に基づいて前記ミラーステージを制御するように構成された制御器と、を備えることを特徴とする、請求項1に記載のオーバーレイ測定装置。 The optical path adjusting unit is
at least one mirror disposed between the main beam splitter and the second detector to reflect the second beam toward the second detector;
a mirror stage configured to linearly move at least one of the mirrors to adjust the optical path length of the second beam;
The overlay measurement apparatus of claim 1 , further comprising: a controller configured to control the mirror stage based on the height difference.
前記テレセントリック結像光学系は、前記第2の検出器の前段に配置され、前記第2のビームの中心波長及びバンド幅を前記第2のオーバーレイマークイメージ取得用に調節する第2の光学フィルターをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のオーバーレイ測定装置。 the imaging optical system further comprises a first optical filter disposed in front of the first detector and configured to adjust a central wavelength and a bandwidth of the first beam for acquiring the first overlay mark image;
2. The overlay measurement apparatus of claim 1, wherein the telecentric imaging optical system further comprises a second optical filter disposed in front of the second detector and adjusting a central wavelength and a bandwidth of the second beam for acquiring the second overlay mark image.
前記第1のオーバーレイマークと前記第2のオーバーレイマークとの高さ差(Δh)を検出するステップと、
前記サンプル上のオーバーレイマークに照明を照らすステップと、
前記オーバーレイマークからの反射光を第1のビームと第2のビームに分離させるステップと、
前記第1のビームを第1の検出器に結像させるステップと、
前記第2のオーバーレイマークに焦点が合うように、前記高さ差(Δh)に基づいて、前記第2のビームの光路長を調節するステップと、
テレセントリックレンズを通過し、長さが調節された前記光路を経た前記第2のビームを第2の検出器に結像させるステップと、
前記第1の検出器で、前記第1のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第1のオーバーレイマークイメージを生成し、前記第2の検出器で、前記第2のオーバーレイマークに焦点が合わせられた第2のオーバーレイマークイメージを生成するステップと、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法。 1. An overlay measurement method for measuring an inter-layer overlay error of a sample having an overlay mark, the inter-layer overlay error including a first overlay mark and a second overlay mark formed on different layers, the first overlay mark and the second overlay mark being formed on different layers, the method comprising:
detecting a height difference (Δh) between the first overlay mark and the second overlay mark;
shining illumination onto an overlay mark on the sample;
splitting reflected light from the overlay mark into a first beam and a second beam;
imaging the first beam onto a first detector;
adjusting an optical path length of the second beam based on the height difference (Δh) so as to focus on the second overlay mark;
imaging the second beam through a telecentric lens and the adjusted length of the optical path onto a second detector;
generating a first overlay mark image with the first detector focused on the first overlay mark, and generating a second overlay mark image with the second detector focused on the second overlay mark.
前記第2のビームの中心波長及びバンド幅を前記第2のオーバーレイマークイメージ取得用に調節するステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項7に記載のオーバーレイ測定方法。 adjusting a central wavelength and a bandwidth of the first beam for acquiring the first overlay mark image;
8. The method of claim 7, further comprising the step of: adjusting a central wavelength and a bandwidth of the second beam for acquiring the second overlay mark image.
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