JP3721713B2

JP3721713B2 - 位置合わせ精度測定方法及び位置合わせ精度測定装置

Info

Publication number: JP3721713B2
Application number: JP12432697A
Authority: JP
Inventors: 幸雄荒木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: JPH10321497A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理体における位置合わせ精度を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被処理体である半導体基板において、例えば重ね合わせ精度を測定する場合、半導体基板を測定ステージ上に設置し、半導体基板に設けた測定マークに光源から光を照射し、測定マークの画像をＣＣＤ（電荷結合素子）カメラで取り込む。そして、取り込まれた画像からイメージプロファイルを作成し、そのイメージプロファイルから重ね合わせずれ量を求める。
【０００３】
具体的には、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、合わせマーク４１と基準マーク４２の画像から図４（ｃ）に示すようなイメージプロファイル４３を作成する。そして、基準マーク４２のエッジの座標（ａ，ｄ）を求め、その中点ＸＢを求める。更に、合わせマーク４１のエッジの座標（ａ，ｄ）を求め、その中点ＸＡを求める。その後、ＸＢとＸＡの座標の差△Ｘを補正値として求める。なお、測定マークとは、基準マーク４２と、それに合わせる合わせマーク４１とから構成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、測定マークの画像を取り込む際には、測定ステージ表面を図５に示す基準マークＦｏｃｕｓ面４５に合わせて行う。この場合、基準マークＦｏｃｕｓ面４５の位置と実際の合わせマークＦｏｃｕｓ面４４の位置とが異なるために、合わせマーク４１の画像は、光軸の傾きＣにより、本来の位置からずれた状態の合わせマーク画像４６として誤検出されてしまう。
【０００５】
このため、本来の合わせマーク４１の中点ＸＡと光軸の傾きに影響を受けた中点ＸＣとの間に誤差Ｄが発生する。この誤差Ｄは、合わせマーク４１と基準マーク４２との間の高低差、すなわち合わせマークＦｏｃｕｓ面４４と基準マークＦｏｃｕｓ面４５との間距離に影響を受ける。なお、現状の測定装置においては、誤差Ｄが約５ｎｍである。
【０００６】
一方、半導体装置製造プロセスにおける微細化に伴い重ね合わせ精度測定の要求スペックが高くなってきており、重ね合わせ精度を向上させる必要がある。しかしながら、上記誤差の発生により、重ね合わせ精度を正確に測定することができず、ずれ量の信頼性が低下して、要求スペックを満足させることができないのが現状である。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、正確に位置合わせ精度を測定することができ、信頼性の高いずれ量を得ることができる位置合わせ精度測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を講じた。
本発明は、光学系において基準マークと当該基準マークの上方に配置されるとともに平面視的に当該基準マークのエッジ間に配置された合わせマークのイメージプロファイルを用いて被処理体における位置合わせ精度を測定する方法であって、前記合わせマークにフォーカス面を合わせた状態でイメージプロファイルを作成し、当該合わせマークの第１の中点を求めるとともに、当該合わせマークの下方に配置される前記基準マークにフォーカス面を合わせた状態でイメージプロファイルを作成し、当該合わせマークの第２の中点を求める第１工程と、フォーカス面の違いによる前記第１の中点と前記第２の中点との誤差を測定する第２工程と、前記基準マークにフォーカス面を合わせた状態でイメージプロファイルを作成し、当該基準マークのエッジ間の中点を求めるとともに当該基準マークの上方に配置される前記合わせマークの第３の中点を求める第３工程と、前記第３の中点と前記誤差とに基づき、補正された前記合わせマークの中点を求める第４工程と、補正された前記合わせマークの中点と前記基準マークのエッジ間の中点とに基づき、前記合わせマークと前記基準マークの合わせずれ量を求める第５工程とを有することを特徴とする位置合わせ精度測定方法を提供する。
【０００９】
この構成によれば、基準マークと合わせマークとの間の誤差を算出し、この誤差を基準マークと合わせマークとの間の位置ずれに反映させるので、基準マークと合わせマークとの間の正確にずれ量を算出することができる。これにより、ずれ量の信頼性が高くなり、正確に位置合わせ精度を測定することができる。
【００１０】
本発明の方法においては、前記基準マーク及び合わせマークの基準値は、イメージプロファイルのシグナル・ノイズ比が高い状態で求められることが好ましく、前記基準マーク及び合わせマークの基準値は、イメージプロファイルの対称性が高い状態で求められることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、光学系において基準マークと当該基準マークの上方に配置されるとともに平面視的に当該基準マークのエッジ間に配置された合わせマークのイメージプロファイルを用いて被処理体における位置合わせ精度を測定する装置であって、被処理体を支持した状態で水平移動および昇降移動が可能な支持手段と、前記被処理体に設けた基準マーク及び合わせマークに光を照射する光源と、前記基準マーク及び合わせマークの画像を取り込んでイメージプロファイルを作成する手段と、前記イメージプロファイルから位置合わせ精度を求める制御手段とを具備し、前記制御手段は、フォーカス面を前記基準マークまたは前記合わせマークに合わせた状態で、前記イメージプロファイルから当該合わせマークの中点をそれぞれ求める基準値算出手段と、フォーカス面の違いによる前記合わせマークの各中点の誤差を算出する誤差算出手段と、前記基準マークにフォーカス面を合わせた状態で、前記イメージプロファイルから前記基準マークのエッジ間の中点と当該基準マークの上方に配置される前記合わせマークの中点を求めることで、前記基準マークと前記合わせマークとの間の位置ずれを算出する位置ずれ算出手段と、前記位置ずれ算出手段により算出された前記合わせマークの中点と、前記誤差算出手段により算出された前記誤差に基づき、補正された前記合わせマークの中点を算出するとともに、補正された前記合わせマークの中点と、前記位置ずれ算出手段により算出された前記基準マークのエッジ間の中点に基づき、前記基準マークと前記合わせマークとの合わせずれ量を算出するずれ量算出手段とを有することを特徴とする位置合わせ精度測定装置を提供する。
【００１２】
この構成によれば、制御手段が基準マーク及び合わせマークの基準値を求めて、この基準値から前記基準マークと前記合わせマークとの間の誤差を算出することができる。このため、この誤差を用いて自動的に補正を行って、基準マークと合わせマークとの間の正確にずれ量を算出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の位置合わせ精度測定装置の一実施形態を示す概略図である。図中１は光源を示す。光源１には、光源１からの光を導く光ファイバー２が接続されている。
【００１４】
本装置の光学系においては、ＣＣＤカメラ３が設置されており、その下方には、レンズ４、ハーフミラー５、対物レンズ６が配置されている。また、対物レンズ６の下方には、測定ステージ９が設置されており、測定ステージ９上には、測定マーク８が設けられた被処理体である半導体基板７が設置されている。また、測定ステージ９には、測定ステージ９を図中Ａ方向及びＢ方向に昇降移動及び水平移動させる駆動手段１０が取り付けられている。更に、駆動手段１０及びＣＣＤカメラ３には、制御手段１１が接続されている。
【００１５】
この制御手段１１は、図２に示すように、ＣＣＤカメラ３に取り込まれた画像から得られたイメージプロファイルから基準値を算出する基準値算出手段２１と、算出された基準値を管理する基準値管理手段２２と、管理された基準値から光軸の傾きによる誤差を算出する誤差算出手段２３と、イメージプロファイルから測定マーク８の位置ずれを算出する位置ずれ算出手段２４と、誤差算出手段２３及び位置ずれ算出手段２４からのデータからずれ量を算出するずれ量算出手段２５とから主に構成されている。また、制御手段１１は、ずれ量算出の際に測定ステージ９を昇降させる駆動手段１０の制御も行う。
【００１６】
したがって、制御手段１１においては、基準値算出手段２１において、イメージプロファイルから基準となる値を算出し、それを基準値管理手段２２に記憶して管理し、誤差算出手段２３において、管理された基準値から測定における誤差を算出する。一方、位置ずれ算出手段２４においては、イメージプロファイルから測定マークの位置ずれ情報を求め、ずれ量算出手段２５において、位置ずれ情報と誤差情報に基づいて補正されたずれ量を算出する。これにより、正確なずれ量が得られる。
【００１７】
次に、上記構成に示す装置おける動作について説明する。まず、光源１からの光が光ファイバー２を通り、ハーフミラー５に照射される。この光はハーフミラー５で下方に光路が変えられて、基板方向に向けられる。更に、この光は対物レンズ６を通って基板７上の測定マーク８に照射される。次いで、測定マーク８に照射された光は、測定マーク８の画像情報を伴って基板７で反射して対物レンズ６、ハーフミラー５、レンズ４を通ってＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３においては、測定マーク８の画像情報を取り込んで、それに基づいて測定マーク８のイメージプロファイルを作成する。
【００１８】
制御手段１１においては、具体的に、図３に示すフローチャートにしたがって処理が行われる。すなわち、測定ステージ９の高さを測定マーク８の合わせＦｏｃｕｓ面に合わせるように、測定ステージ９を駆動手段１０で昇降させる（Ｓ１）。次いで、その状態でイメージプロファイルを作成し、そのイメージプロファイルから基準値算出手段２１により基準値として合わせマークの中点ＸＡの座標を求める（Ｓ２）。
【００１９】
次いで、測定ステージ９の高さを測定マーク８の基準Ｆｏｃｕｓ面に合わせるように、測定ステージ９を駆動手段１０で昇降させる（Ｓ３）。次いで、基準値算出手段２１により基準値として合わせマークの中点ＸＣの座標を求める（Ｓ４）。ここで、合わせマークの中点ＸＡ及びＸＣは基準値管理手段２２で管理される。
【００２０】
ここで、基準マーク及び合わせマークの基準値は、イメージプロファイルのシグナル・ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が高い状態で求められる。これにより、誤差算出の基になる基準値を正確に得ることができる。具体的には、基準マークと合わせマークの大きさ（間隔）を指定し、検出した信号の間隔とマッチングさせることにより、合わせマークの信号か、基準マークの信号かを判断する。
【００２１】
例えば、合わせマークにFocus 面を合わせると、合わせマークの信号（Signal）のピークが大きくなり、逆に基準マーク等の合わせマーク以外の信号（Noise)のピークはFocus がずれて小さくなる。一方、基準マークにFocus 面を合わせると、基準マークの信号（Signal）のピークが大きくなり、逆に合わせマーク等の基準マーク以外の信号（Noise)のピークはFocus がずれて小さくなる。なお、Ｓ／Ｎ比とは、Signalのピーク値とNoise のピーク値の比をいい、Ｓ／Ｎ比が高いとは、Ｓ／Ｎ比の値が大きいことを意味する。
【００２２】
次いで、誤差算出手段２３において、基準値管理手段２２で管理される合わせマークの中点ＸＡ及びＸＣから差Ｄを求める（Ｓ５）。次いで、測定マーク８の位置に測定ステージ９を駆動手段１０により移動させて（Ｓ６）、更に測定ステージ９を駆動手段１０により昇降させて、測定ステージ９の高さを測定マーク８の基準Ｆｏｃｕｓ面に合わせる（Ｓ７）。
【００２３】
その状態でイメージプロファイルを作成し、位置ずれ算出手段２４において、このイメージプロファイルから測定マーク８の基準マークの中点ＸＤの座標を求める（Ｓ８）。更に、位置ずれ算出手段２４において、このイメージプロファイルから測定マーク８の合わせマークの中点ＸＥの座標を求める（Ｓ９）。
【００２４】
次いで、ずれ量算出手段２５において、合わせマークの中点ＸＥから上記差Ｄを引き、補正された中点ＸＦを求め（Ｓ１０）、ＸＤとＸＦとの差により、合わせずれ量△Ｘを求める（Ｓ１１）。
【００２５】
上記方法によれば、制御手段において、基準マーク及び合わせマークの基準値を求め、この基準値から基準マークと合わせマークとの間の誤差を算出しており、その誤差を位置ずれ情報に反映させているので、基準マークと合わせマークとの間の正確にずれ量を算出することができる。また、上記構成によれば、誤差を算出して自動的に補正を行って、ずれ量を求めることができる。
【００２６】
上記実施形態においては、誤差算出において、基準値の測定を１点で行う場合について説明しているが、基準値の測定は複数点で行っても良い。この場合には、平均値を誤差の値としても良い。また、上記実施形態においては、２つのＦｏｃｕｓ面において基準値の測定を行う場合について説明しているが、それ以上の数の測定位置において基準値を求めても良い。
【００２７】
上記実施形態においては、基準マーク及び合わせマークの基準値をイメージプロファイルのシグナル・ノイズ比が高い状態で求める場合について説明しているが、本発明においては、基準マーク及び合わせマークの基準値をイメージプロファイルの対称性が高い状態で求めても良い。
【００２８】
上記実施形態においては、被処理体として半導体基板を用いた場合について説明しているが、本発明は位置合わせを行う被処理体であればすべてに適用することができる。また、上記実施形態においては、本発明を半導体基板の重ね合わせ精度測定に適用する場合について説明しているが、本発明は他の位置合わせ精度の測定にも適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の位置合わせ精度測定方法は、基準マークと合わせマークとの間の誤差を算出し、この誤差を基準マークと合わせマークとの間の位置ずれに反映させるので、基準マークと合わせマークとの間の正確にずれ量を算出することができる。これにより、ずれ量の信頼性が高くなり、正確に位置合わせ精度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置合わせ精度測定装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の位置合わせ精度測定装置の制御手段を説明するための概略ブロック図である。
【図３】本発明の位置合わせ精度測定方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】従来の位置合わせ精度測定方法を説明するための図であり、（ａ）は測定マークを示す断面図、（ｂ）は測定マークを示す平面図、（ｃ）は測定マークのイメージプロファイルである。
【図５】従来の位置合わせ精度測定方法における課題を説明するための図であり、（ａ）は測定マークを示す断面図、（ｂ）は測定マークを示す平面図、（ｃ）は測定マークのイメージプロファイルである。
【符号の説明】
１…光源、２…光ファイバー、３…ＣＣＤカメラ、４…レンズ、
５…ハーフミラー、６…対物レンズ、７…基板、８…測定マーク、
９…測定ステージ、１０…駆動手段、１１…制御手段、
２１…基準値算出手段、２２…基準値管理手段、２３…誤差算出手段、
２４…位置ずれ算出手段、２５…ずれ量算出手段。

Claims

光学系において基準マークと当該基準マークの上方に配置されるとともに平面視的に当該基準マークのエッジ間に配置された合わせマークのイメージプロファイルを用いて被処理体における位置合わせ精度を測定する方法であって、
前記合わせマークにフォーカス面を合わせた状態でイメージプロファイルを作成し、当該合わせマークの第１の中点を求めるとともに、当該合わせマークの下方に配置される前記基準マークにフォーカス面を合わせた状態でイメージプロファイルを作成し、当該合わせマークの第２の中点を求める第１工程と、
フォーカス面の違いによる前記第１の中点と前記第２の中点との誤差を測定する第２工程と、
前記基準マークにフォーカス面を合わせた状態でイメージプロファイルを作成し、当該基準マークのエッジ間の中点を求めるとともに当該基準マークの上方に配置される前記合わせマークの第３の中点を求める第３工程と、
前記第３の中点と前記誤差とに基づき、補正された前記合わせマークの中点を求める第４工程と、
補正された前記合わせマークの中点と前記基準マークのエッジ間の中点とに基づき、前記合わせマークと前記基準マークの合わせずれ量を求める第５工程とを有する
ことを特徴とする位置合わせ精度測定方法。
前記第１工程では、前記合わせマークの前記第１の中点を求めた後に、前記合わせマークの前記第２の中点を求め、
前記第３工程では、前記基準マークのエッジ間の中点を求めた後に、前記合わせマークの前記第３の中点を求める
ことを特徴とする請求項１記載の位置合わせ精度測定方法。
光学系において基準マークと当該基準マークの上方に配置されるとともに平面視的に当該基準マークのエッジ間に配置された合わせマークのイメージプロファイルを用いて被処理体における位置合わせ精度を測定する装置であって、
被処理体を支持した状態で水平移動および昇降移動が可能な支持手段と、前記被処理体に設けた基準マーク及び合わせマークに光を照射する光源と、前記基準マーク及び合わせマークの画像を取り込んでイメージプロファイルを作成する手段と、前記イメージプロファイルから位置合わせ精度を求める制御手段とを具備し、
前記制御手段は、フォーカス面を前記基準マークまたは前記合わせマークに合わせた状態で、前記イメージプロファイルから当該合わせマークの中点をそれぞれ求める基準値算出手段と、
フォーカス面の違いによる前記合わせマークの各中点の誤差を算出する誤差算出手段と、
前記基準マークにフォーカス面を合わせた状態で、前記イメージプロファイルから前記基準マークのエッジ間の中点と当該基準マークの上方に配置される前記合わせマークの中点を求めることで、前記基準マークと前記合わせマークとの間の位置ずれを算出する位置ずれ算出手段と、
前記位置ずれ算出手段により算出された前記合わせマークの中点と、前記誤差算出手段により算出された前記誤差に基づき、補正された前記合わせマークの中点を算出するとともに、補正された前記合わせマークの中点と、前記位置ずれ算出手段により算出された前記基準マークのエッジ間の中点に基づき、前記基準マークと前記合わせマークとの合わせずれ量を算出するずれ量算出手段とを有する
ことを特徴とする位置合わせ精度測定装置。