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KR102273278B1 - 오버레이 측정장치 - Google Patents

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KR102273278B1
KR102273278B1 KR1020190111950A KR20190111950A KR102273278B1 KR 102273278 B1 KR102273278 B1 KR 102273278B1 KR 1020190111950 A KR1020190111950 A KR 1020190111950A KR 20190111950 A KR20190111950 A KR 20190111950A KR 102273278 B1 KR102273278 B1 KR 102273278B1
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overlay mark
wafer
overlay
objective lens
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박규남
신현기
이성수
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(주)오로스 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 오버레이 측정장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 서로 다른 파장의 광원을 사용하는 자동 초점(Auto focus) 시스템을 구비한 오버레이 측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 웨이퍼에 형성된 서로 다른 층들에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크 사이의 오차를 측정하는 장치로서, 제1 빔을 조사하는 제1 광원과; 상기 제1 광원으로부터 나와서 상기 웨이퍼의 측정위치에서 반사된 상기 제1 빔에 의한 신호를 획득하는 제1 검출기와; 상기 제1 빔과 파장이 다른 제2 빔을 조사하는 제2 광원과; 상기 제2 광원으로부터 나와서 상기 웨이퍼의 상기 측정위치에서 반사된 상기 제2 빔에 의한 신호를 획득하는 제2 검출기와; 상기 제1 빔과 상기 제2 빔을 상기 웨이퍼의 상기 측정위치에 집광시키고, 상기 측정위치에서 반사된 빔을 수집하는 대물렌즈와; 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 광축 방향의 상대 위치를 조절하는 액추에이터와; 상기 액추에이터를 제어하는 제어수단과; 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 상기 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 상기 제1 검출기의 신호의 변화를 기초로 상기 제1 오버레이 마크의 높이를 검출하고, 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 상기 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 상기 제2 검출기의 신호의 변화를 기초로 상기 제2 오버레이 마크의 높이를 검출하는 높이 검출수단을 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.

Description

오버레이 측정장치{Apparatus for measuring overlay}
본 발명은 오버레이 측정장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 서로 다른 파장의 광원을 사용하는 자동 초점(Auto focus) 시스템을 구비한 오버레이 측정장치에 관한 것이다.
기술 발전에 따라서 반도체 디바이스의 사이즈가 작아지고, 집적회로의 밀도 증가가 요구되고 있다. 이러한 요구사항을 충족 시기키 위해서는 다양한 조건이 만족 되어야 하고, 그 중 오버레이 허용 오차는 중요한 지표 중의 하나이다.
반도체 디바이스는 수많은 제조 프로세스를 통해 제조된다. 집적회로를 웨이퍼에 형성하기 위해서는 특정위치에서 원하는 회로 구조 및 요소들이 순차적으로 형성되도록 많은 제조 프로세스를 거쳐야 한다. 제조 프로세스는 웨이퍼 상에 패턴화된 층을 순차적으로 생성하도록 한다. 이러한 반복되는 적층 공정들을 통해서 집적회로 안에 전기적으로 활성화된 패턴을 생성한다. 이때, 각각의 구조들이 생산공정에서 허용하는 오차 범위 이내로 정렬되지 않으면 전기적으로 활성화된 패턴 간에 간섭이 일어나고 이런 현상으로 인해 제조된 회로의 성능 및 신뢰도에 문제가 생길 수 있다. 이러한 층간에 정렬 오차를 측정 및 검증하기 위해서 오버레이 측정 툴이 사용된다.
일반적인 오버레이 계측 및 방법들은 두 개의 층들 간에 정렬이 허용 오차 내에 있는지 측정 및 검증을 한다. 그 중 한 가지 방법으로 기판 위에서 특정한 위치에 오버레이 마크라고 불리는 구조물을 형성하고, 이 구조물을 광학적인 이미지 획득 장비로 촬영하여 오버레이를 측정하는 방법이 있다. 측정을 위한 구조물은 각각의 층마다 X 방향 및 Y 방향 중 적어도 하나의 방향의 오버레이를 측정할 수 있도록 설계되어 있다. 각 구조물은 대칭된 구조로 설계되어 있고, 대칭 방향으로 배치된 구조물 사이의 중심 값을 계산하여 그 층의 대표 값으로 사용하고, 그 각각의 층의 대표 값의 상대적인 차이를 계산하여 오버레이 오차를 도출한다.
두 개의 층의 오버레이를 측정하는 경우에는 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 대체로 박스 형태인 제1 오버레이 마크(1)와 대체로 제1 오버레이 마크(1)에 비해서 작은 박스 형태인 제2 오버레이 마크(2)를 연속된 두 개의 층에 각각 형성한 후 도 3과 4에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(1)를 초점면(focal plane)으로 해서 얻은 신호의 위치별 강도의 변화를 나타내는 파형을 획득하여, 제1 오버레이 마크(1)의 중심 값(C1)을 획득하고, 제2 오버레이 마크(2)를 초점면으로 해서 얻은 신호의 위치별 강도의 변화를 나타내는 파형을 획득하여, 제2 오버레이 마크(2)의 중심 값(C2)을 획득함으로써 두 층 사이의 오버레이 오차를 측정한다.
그러나 이러한 방법은 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)가 서로 다른 층에 서로 다른 물질로 형성되며, 제1 오버레이 마크(1)는 제2 오버레이 마크(2)가 형성된 층에 의해서 덮여있다는 점 등을 고려하지 않고, 단일 광원을 사용하는 자동 초점 장치를 이용하여 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 측정한다는 점에서 문제가 있다.
자동 초점 장치는 웨이퍼와의 거리에 따른 검출기 신호(detector signal)의 크기 변화를 이용하여 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 측정한다. 예를 들어, 오버레이 마크 이미지의 콘트라스트의 변화를 이용하여 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 측정할 수 있다.
도 5는 단일 파장의 광원을 사용할 경우에 웨이퍼와 대물렌즈의 거리에 따른 검출기 신호의 크기 변화를 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)는 단파장의 광원을 사용한 경우이며, (b)는 장파장의 광원을 사용한 경우이다.
도 5의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(1)는 먼저 형성된 이전 층에 위치하므로, 웨이퍼와 대물렌즈의 거리가 가까운 영역에서 제1 오버레이 마크(1)에 의한 검출기 신호가 최대값을 가지며, 제2 오버레이 마크(2)는 이전 층 위에 형성된 현재 층에 위치하므로, 웨이퍼와 대물렌즈의 거리가 먼 영역에서 제2 오버레이 마크(2)에 의한 검출기 신호가 최댓값을 가진다.
그런데 도 5의 (a)와 (b)에서 알 수 있듯이, 광원의 종류에 따라서 최댓값의 크기에 큰 차이가 있다. 단파장의 광원을 사용할 경우에는 제2 오버레이 마크(2)에 의한 검출기 신호의 최댓값은 매우 큰 반면에 제1 오버레이 마크(1)에 의한 검출기 신호의 최댓값은 매우 작다. 따라서 단파장의 광원을 사용할 경우에는 제1 오버레이 마크(1)의 높이를 정확하게 측정하기 어렵다는 문제가 있다. 반대로, 장파장의 광원을 사용할 경우에는 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 정확하게 측정하기 어렵다는 문제가 있다.
반도체 공정 기술의 발전으로 인해 높이 차이가 크며, 광학적 성질이 다른 층들 사이의 오버레이 오차를 정확하게 측정할 필요가 있는 현재에는 이러한 문제점들의 해결에 대한 요구가 더욱 커지고 있다.
공개특허 특2003-0054781호 등록특허 제10-0689709호 등록특허 제10-1564312호
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 높이 차이가 크며, 광학적 성질이 서로 다른 층 사이의 오버레이 오차를 정확하게 측정할 수 있는 새로운 오버레이 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 웨이퍼에 형성된 서로 다른 층들에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크 사이의 오차를 측정하는 장치로서, 제1 빔을 조사하는 제1 광원과; 상기 제1 광원으로부터 나와서 상기 웨이퍼의 측정위치에서 반사된 상기 제1 빔에 의한 신호를 획득하는 제1 검출기와; 상기 제1 빔과 파장이 다른 제2 빔을 조사하는 제2 광원과; 상기 제2 광원으로부터 나와서 상기 웨이퍼의 상기 측정위치에서 반사된 상기 제2 빔에 의한 신호를 획득하는 제2 검출기와; 상기 제1 빔과 상기 제2 빔을 상기 웨이퍼의 상기 측정위치에 집광시키고, 상기 측정위치에서 반사된 빔을 수집하는 대물렌즈와; 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 광축 방향의 상대 위치를 조절하는 액추에이터와; 상기 액추에이터를 제어하는 제어수단과; 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 상기 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 상기 제1 검출기의 신호의 변화를 기초로 상기 제1 오버레이 마크의 높이를 검출하고, 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 상기 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 상기 제2 검출기의 신호의 변화를 기초로 상기 제2 오버레이 마크의 높이를 검출하는 높이 검출수단을 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 광원과 상기 대물렌즈 사이에 배치되며, 상기 제1 광원으로부터 나온 상기 제1 빔 중에서 장파장의 빛을 상기 대물렌즈를 향해 반사시키는 핫 미러를 더 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 광원과 상기 대물렌즈 사이에 배치되며, 상기 제2 광원으로부터 나온 상기 제2 빔 중에서 단파장의 빛을 상기 대물렌즈를 향해 반사시키는 콜드 미러를 더 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 광원으로부터 나온 상기 제1 빔의 형태를 상기 제1 오버레이 마크의 형태에 대응하는 형태로 변경하는 제1 조리개를 더 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 광원으로부터 나온 상기 제2 빔의 형태를 상기 제2 오버레이 마크의 형태에 대응하는 형태로 변경하는 제2 조리개를 더 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 광원으로부터 나온 상기 제1 빔을 라인 빔(line beam)으로 변경하는 제1 실린더 렌즈를 더 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 광원으로부터 나온 상기 제2 빔을 라인 빔(line beam)으로 변경하는 제2 실린더 렌즈를 더 포함하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 제1 빔은 적외선 영역의 빔이며, 제2 빔은 자외선 영역의 빔인 오버레이 측정장치를 제공한다.
본 발명에 따른 오버레이 측정장치는 층별로 다른 파장의 빛을 사용하여 높이를 측정하므로, 정확하게 높이를 측정할 수 있다. 따라서 높이 차이가 크며, 광학적 성질이 서로 다른 층 사이의 오버레이 오차를 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 오버레이 마크의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 오버레이 마크의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 오버레이 마크를 초점면으로 하여 획득된 신호의 위치별 강도의 변화 파형을 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 제2 오버레이 마크를 초점면으로 하여 획득된 신호의 위치별 강도의 변화 파형을 나타낸다.
도 5는 단일 파장의 광원을 사용할 경우에 웨이퍼와 대물렌즈의 거리에 따른 검출기 신호의 크기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정장치의 개념도이다.
도 7은 제1 광원을 사용할 경우에 웨이퍼와 대물렌즈의 거리에 따른 제1 검출기 신호의 크기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 제2 광원을 사용할 경우에 웨이퍼와 대물렌즈의 거리에 따른 제2 검출기 신호의 크기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 제1 빔의 일예를 나타낸 도면이다.
도 10은 제2 빔의 일예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 더욱 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정장치의 개념도이다. 오버레이 측정장치는 웨이퍼(w)에 형성된 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크 사이의 오차를 측정하는 장치이다.
예를 들어, 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(1)는 이전 층(previous layer)에 형성된 오버레이 마크이며, 제2 오버레이 마크(2)는 현재 층(current layer)에 형성된 오버레이 마크일 수 있다. 오버레이 마크는, 다이(die) 영역에 반도체 디바이스 형성을 위한 층이 형성될 때, 스크라이브 라인(scribe line)에 형성된다. 예를 들어, 제1 오버레이 마크(1)는 절연막 패턴과 함께 형성되고, 제2 오버레이 마크(2)는 절연막 패턴 위에 형성되는 포토레지스트 패턴과 함께 형성될 수 있다.
이런 경우 제2 오버레이 마크(2)는 외부로 노출되어 있으나, 제1 오버레이 마크(1)는 포토레지스트 층에 의해서 가려진 상태이며, 포토레지스트 재료로 이루어진 제2 오버레이 마크(2)와는 광학적 성질이 다른 산화물로 이루어진다. 또한, 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)는 높이가 서로 다르다.
본 발명에서는 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 측정하기 위해서 서로 다른 파장의 빔을 사용한다. 즉, 각각의 마크를 이루는 재료의 광학적 성질, 각각의 마크의 높이, 형상에 적합한 파장의 빔을 이용하여 각각의 마크의 높이를 측정한다. 예를 들어, 제1 오버레이 마크(1)의 높이는 적외선 빔을 사용하여 측정하고, 제2 오버레이 마크(2)의 높이는 자외선 빔을 사용하여 측정할 수 있다.
오버레이 마크로는 박스 인 박스(box in box, BIB, 도 1 참조), AIM(advanced inmaging metrology) 오버레이 마크 등 현재 사용되고 있는 다양한 형태의 오버레이 마크를 사용할 수 있다. 이하에서는 주로 구조가 간단한 박스 인 박스 형태의 오버레이 마크를 기준으로 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정장치는 제1 오버레이 마크(1)의 높이 측정에 사용되는 제1 광원(11), 제1 빔 스플리터(13, beam splitter), 핫 미러(16, hot mirror), 제1 검출기(18)를 포함한다.
또한, 제2 오버레이 마크의 높이 측정에 사용되는 제2 광원(21), 제2 빔 스플리터(22), 콜드 미러(26, cold mirror), 제2 검출기(28)를 포함한다.
그리고 제1 오버레이 마크(1)의 높이 측정과 제2 오버레이 마크(2)의 높이 측정에 공통으로 사용되는 대물렌즈(31), 액추에이터(32), 제어수단(41) 및 높이 검출수단(42)을 포함한다.
먼저, 오버레이 측정장치의 제1 오버레이 마크(1)의 높이 측정에 관련된 구성에 대해서 설명한다.
제1 광원(11)으로는 할로겐 램프, 제논 램프, 슈퍼컨티늄 레이저(supercontinuum laser), 발광다이오드, 레이저 여기 램프(laser induced lamp) 등을 사용할 수 있다. 제1 광원(11)은 이전 층에 형성된 제1 오버레이 마크(1)에 빛을 조사하기 위한 광원으로 사용된다.
제1 빔 스플리터(13)는 제1 광원(11)으로부터 나온 빔을 두 개의 빔으로 분리시키는 역할을 한다. 즉, 제1 빔 스플리터(13)는 제1 광원(11)으로부터 나온 빔의 일부는 투과시키고, 일부는 반사시켜서 제1 광원(11)으로부터 나온 빔을 두 개의 빔으로 분리시킨다.
핫 미러(16)는 제1 빔 스플리터(13)를 투과한 빔의 경로에 대해 45°를 이루도록 설치된다. 핫 미러(16)는 제1 빔 스플리터(13)를 투과한 빔 중에서 장파장의 빔을 반사시키고, 단파장의 빔은 투과시킨다.
대물렌즈(31)는 핫 미러(16)에서 반사된 장파장의 빔을 웨이퍼(w)의 측정위치에 집광시키고, 측정위치에서의 반사된 빔을 수집하는 역할을 한다. 대물렌즈(31)는 대물렌즈(31)를 광축 방향을 따라서 직선이동시킬 수 있도록 구성된 액추에이터(32, actuator)에 설치된다. 제어수단(41)은 액추에이터(32)를 제어하여, 웨이퍼(w)에 대한 대물렌즈(31)의 광축 방향의 상대 위치를 조절한다.
제1 검출기(18)는 대물렌즈(31)에서 수집된 후 콜드 미러(26)를 투과하고, 핫 미러(16)에서 반사된 후 제1 빔 스플리터(13)에서 반사된 제1 빔을 검출한다.
높이 검출수단(42)은 웨이퍼(w)에 대한 대물렌즈(31)의 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 제1 검출기(18)의 신호의 변화를 기초로 제1 오버레이 마크(1)의 높이를 검출할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 검출기(18)에서 획득된 신호의 크기 변화를 확인하여, 신호의 크기가 최고점일 때의 웨이퍼(w)에 대한 대물렌즈(31)의 광축 방향의 상대 위치를 이용하여 제1 오버레이 마크(1)의 높이를 검출할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 광원(11)을 이용한 경우에는 제1 오버레이 마크(1)에 의한 제1 검출기(18) 신호의 크기의 최댓값이 제2 오버레이 마크(2)에 의한 제1 검출기(18) 신호의 크기의 최댓값에 비해서 크다. 따라서 제1 광원(11)으로는 제1 오버레이 마크(1)의 높이를 정확하게 측정할 수 있다.
다음, 제2 오버레이 마크(2)의 높이 측정에 관한 구성에 대해서 설명한다.
제2 광원(21)도 제1 광원(11)과 마찬가지고 할로겐 램프, 제논 램프, 슈퍼컨티늄 레이저(supercontinuum laser), 발광다이오드, 레이저 여기 램프(laser induced lamp) 등을 사용할 수 있다. 제2 광원(21)은 현재 층에 형성된 제2 오버레이 마크(2)에 빛을 조사하기 위한 광원으로 사용된다. 제2 광원(21)의 빔은 제1 광원(11)의 빔에 비해서 단파장의 빔인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 제1 광원(11)의 빔은 적외선 영역의 빔이고 제2 광원(21)의 빔은 자외선 영역의 빔일 수 있다.
제2 빔 스플리터(23)는 제2 광원(21)에서 나온 빔을 두 개의 빔으로 분리시키는 역할을 한다.
콜드 미러(26, cold mirror)는 제2 빔 스플리터(23)를 투과한 빔의 경로에 대해 45°를 이루도록 설치된다. 콜드 미러(26)는 제2 빔 스플리터(23)를 투과한 빔 중에서 단파장의 빔을 반사시키고, 장파장의 빔은 투과시킨다.
대물렌즈(31)는 콜드 미러(26)에서 반사된 단파장의 빔을 웨이퍼(w)의 측정위치에 집광시키고, 측정위치에서의 반사된 빔을 수집한다. 제어수단(41)은 액추에이터(32, actuator)를 제어하여, 웨이퍼(w)에 대한 대물렌즈(31)의 광축 방향의 상대 위치를 조절한다.
제2 검출기(28)는 대물렌즈(31)에서 수집된 후 콜드 미러(26)에서 반사된 후 제2 빔 스플리터(23)에서 반사된 제2 빔을 검출한다.
높이 검출수단(42)은 웨이퍼(w)에 대한 대물렌즈(31)의 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 제2 검출기(28)의 신호의 변화를 기초로 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 검출할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 검출기(28)에서 획득된 제2 오버레이 마크(2)에 의한 신호의 크기의 변화를 확인하여, 신호의 크기가 최고점일 때의 웨이퍼(w)에 대한 대물렌즈의 광축 방향의 상대 위치를 이용하여 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 검출할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제2 광원(21)을 이용한 경우에는 제2 오버레이 마크(2)에 의한 제2 검출기(28) 신호의 크기의 최댓값이 제1 오버레이 마크(1) 이미지에 의한 제2 검출기(28) 신호의 크기의 최댓값에 비해서 훨씬 크다. 따라서 제2 광원(21)으로는 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 오버레이 측정장치는 오버레이 오차 측정을 위해서, 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)를 촬영하기 위한 제3 조명(51), 제3 검출기(53) 및 튜브 렌즈(52)를 더 포함한다.
오버레이 오차는 다음과 같은 방법으로 측정할 수 있다.
먼저, 앞에서 획득된 제1 오버레이 마크(1)의 높이과 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 이용하여 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 사이에 초점면이 위치하도록 한다. 초점면은, 예를 들어, 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 중간에 위치할 수 있다.
다음, 제1 오버레이 마크(1)와 제2 오버레이 마크(2)의 이미지를 한꺼번에 획득한다.
그리고 제1 오버레이 마크(1) 이미지의 중심과 제2 오버레이 마크(2) 이미지의 중심을 서로 비교하여 오버레이 오차를 측정할 수 있다.
또한, 제1 오버레이 마크(1) 이미지와 제2 오버레이 마크(2) 이미지를 각각 획득한 후 두 이미지를 비교하여 오버레이 오차를 측정할 수도 있다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1 오버레이 마크(1)를 촬영할 때에는 높이 검출수단(42)에서 획득된 제1 오버레이 마크(1)의 높이를 이용하여 제1 오버레이 마크(1)에 초점면이 위치하도록 한 후, 제3 조명(51)으로 이미지 획득을 위한 빔을 조사한 후, 반사된 빔을 제3 검출기(53)로 검출하여 제1 오버레이 마크(1)의 선명한 이미지를 획득한다.
다음, 제2 오버레이 마크(2)를 촬영할 때에는 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 이용하여 제2 오버레이 마크(2)에 초점면이 위치하도록 한 후, 제2 오버레이 마크(2)의 선명한 이미지를 획득한다.
그리고 제1 오버레이 마크(1) 이미지와 제2 오버레이 마크(2) 이미지의 중심을 서로 비교하여 오버레이 오차를 측정한다.
또한, 오버레이 측정장치는 제1 오버레이 마크(1)의 높이와 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 좀 더 정확하게 측정하기 위해 제1 조리개(12, aperture)와 제2 조리개(22)를 더 포함한다.
제1 조리개(12)는 제1 광원(11)과 제1 빔스플리터(13) 사이에 배치된다. 제2 조리개(22)는 제2 광원(12)과 제2 빔스플리터(23) 사이에 배치된다.
제1 조리개(12)는 제1 빔을 제1 오버레이 마크(1)의 촬영에 적합한 형태로 변경하는 역할을 한다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(1)가 BIB(box in box) 오버레이 마크의 외부 박스일 경우에는 제1 빔(B1)을 도넛 형태로 변경할 수 있다. BIB 오버레이 마크의 제1 오버레이 마크(1)의 중심부가 비어있는 사각 프레임 형태이므로, 중심부에 제1 빔(B1)을 조사할 필요가 없다.
제2 조리개(22)는 제2 빔을 제2 오버레이 마크(2)의 촬영에 적합한 형태로 변경하는 역할을 한다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 오버레이 마크(2)가 BIB(box in box) 오버레이 마크의 내부 박스의 경우에는 제2 빔(B2)을 지름이 내부 박스의 대각선 길이 정도인 원형으로 변경할 수 있다.
또한, 오버레이 측정장치는 제1 오버레이 마크(1)의 높이와 제2 오버레이 마크(2)의 높이를 좀 더 정확하게 측정하기 위해 제1 실린더 렌즈(14, cylinder lens)와 제2 실린더 렌즈(15)를 포함한다.
실린더 렌즈는 라인 빔(line beam)이 필요한 경우에 사용한다. 실린더 렌즈는 한쪽에만 곡면이 있는 렌즈로서, 실린더 렌즈를 통과한 빔은 라인 빔이 된다. 라인 빔을 사용하면 광학 수차(astigmatism)로 인해 민감도가 상승하여, 보다 정교한 높이 측정이 가능하다.
또한, 오버레이 측정장치는 핫 미러(16)와 콜드 미러(26)의 전단에 배치되어 통과하는 빛을 편광상태로 바꿔어주는 편광판(waveplate, 15, 25)과 제1 검출기(18)와 제2 검출기(28)의 전단에 배치되어 빛을 모으는 렌즈(17, 27) 등을 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환할 수 있을 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
w: 웨이퍼
B1: 제1 빔
B2: 제2 빔
1: 제1 오버레이 마크
2: 제2 오버레이 마크
11: 제1 광원
13: 제1 빔 스플리터
14: 제1 실린더 렌즈
16: 핫 미러
18: 제1 검출기
21: 제2 광원
23: 제2 빔 스플리터
24: 제2 실린더 렌즈
26: 콜드 미러
28: 제1 검출기
31: 대물렌즈
32: 액추에이터
41: 제어수단
42: 높이 검출수단
51: 제3 광원
53: 제3 검출기

Claims (8)

  1. 웨이퍼에 형성된 서로 다른 층들에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크 사이의 오차를 측정하는 장치로서,
    제1 빔을 조사하는 제1 광원과,
    상기 제1 광원으로부터 나와서 상기 웨이퍼의 측정위치에서 반사된 상기 제1 빔에 의한 신호를 획득하는 제1 검출기와,
    상기 제1 빔과 파장이 다른 제2 빔을 조사하는 제2 광원과,
    상기 제2 광원으로부터 나와서 상기 웨이퍼의 상기 측정위치에서 반사된 상기 제2 빔에 의한 신호를 획득하는 제2 검출기와,
    상기 제1 빔과 상기 제2 빔을 상기 웨이퍼의 상기 측정위치에 집광시키고, 상기 측정위치에서 반사된 빔을 수집하는 대물렌즈와,
    상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 광축 방향의 상대 위치를 조절하는 액추에이터와,
    상기 액추에이터를 제어하는 제어수단과,
    상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 상기 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 상기 제1 검출기의 신호의 크기 변화를 기초로 상기 제1 오버레이 마크의 높이를 검출하고, 상기 웨이퍼에 대한 상기 대물렌즈의 상기 광축 방향의 상대 위치의 변화에 따른 상기 제2 검출기의 신호의 크기 변화를 기초로 상기 제2 오버레이 마크의 높이를 검출하는 높이 검출수단을 포함하는 오버레이 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원과 상기 대물렌즈 사이에 배치되며, 상기 제1 광원으로부터 나온 상기 제1 빔 중에서 장파장의 빛을 상기 대물렌즈를 향해 반사시키는 핫 미러를 더 포함하는 오버레이 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광원과 상기 대물렌즈 사이에 배치되며, 상기 제2 광원으로부터 나온 상기 제2 빔 중에서 단파장의 빛을 상기 대물렌즈를 향해 반사시키는 콜드 미러를 더 포함하는 오버레이 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원으로부터 나온 상기 제1 빔의 형태를 상기 제1 오버레이 마크의 형태에 대응하는 형태로 변경하는 제1 조리개를 더 포함하는 오버레이 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광원으로부터 나온 상기 제2 빔의 형태를 상기 제2 오버레이 마크의 형태에 대응하는 형태로 변경하는 제2 조리개를 더 포함하는 오버레이 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원으로부터 나온 상기 제1 빔을 라인 빔(line beam)으로 변경하는 제1 실린더 렌즈를 더 포함하는 오버레이 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광원으로부터 나온 상기 제2 빔을 라인 빔(line beam)으로 변경하는 제2 실린더 렌즈를 더 포함하는 오버레이 측정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 빔은 적외선 영역의 빔이며, 제2 빔은 자외선 영역의 빔인 오버레이 측정장치.
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