JPH0533525B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、ウエハパターンと、このパターン上
にリングラフイ露光装置を使つて投影されたマス
クパターンとの間のオーバレイ誤差と解像性とを
測定するための装置に関する。 従来の技術 リングラフイ露光装置の役目は、既存のウエハ
パターン上にマスクパターンを重ねることであ
る。このウエハパターン上にマスクパターン像を
重ねるべき望ましい位置と実際の重ね合せ位置と
の相違をオーバレイ誤差と呼んでいる。この２つ
のパターンの位置の相違を読み取るには、従来は
バーニア鏡が使われていた。これを行うには、フ
オトレジストのような感光性層をウエハ上にスピ
ンナを用いて塗布した後に、このレジストにパタ
ーンを露光させた。次いで、このレジストを現像
した後、検査員はこの像を顕微鏡下で調べて、オ
ーバレイ誤差を測定する必要があつた。この仕事
には長時間を要し、検査員の側では判定結果を通
告をする必要があり、また、検査員が変ると、判
定結果も異ることにもなつた。 また、測定機器の正確度は、当該機器自身の正
確度だけでなく、測定操作が如何に正確であるか
によつても左右されていた。 発明が解決しようとする問題点 従つて、本発明の目的の１つは、従来のものよ
り遥かに迅速かつ正確で、優れた新しいオーバレ
イ誤差測定装置を提供することにある。 リングラフイ装置のウエハ台に対するマスク像
の変動を測定するためには、従来から、変動測定
装置が使われていた。これを行うには、１対のマ
スクが使われており、その一方をマスク台に組み
込み、他方は、ウエハチヤツクを外した後に特別
な支持器を取付けて、ウエハ台に取付けられた。
各マスクには３本の帯状部が設けられていた。す
なわち、その１つには5μm巾の多数の垂直線とそ
の間隔部とが設けられ、別の１つには同じく5μm
巾の多数の水平線と間隔部とが設けてあり、更に
この２帯状部を分ける透明な水平帯が設けられて
いる。各帯状部には検知器が備えられていた。こ
の装置を作動する場合、上記の２つのマスクが完
全に重つた時には第１のマスク上の垂直帯中の垂
直線の像が、ウエハ台上の第２のマスク上の垂直
線と一致した。組み込まれた検知器によつて、こ
の重なり帯の透過光線量が透明帯を監視している
センサによつて検知された量の約50％であること
が測定される。ウエハ台上の第２のマスクが左右
何れか5μmだけ水平に動かされると、透過光線は
殆んどゼロとなる。このように、この信号の相違
によつて、相対的な水平動が測定される。同様に
して、水平線帯を使つて、垂直ずれが測定され
る。この方式では透過光線が利用されていること
が認められた。その検知器はウエハ台に置かれた
第２のマスクの背後に設けられているため、マス
ク保持器を動かすことができず、従つて弧状の像
にこの検知器を当てることができない。従つて、
この既存技術による方式では、静的な変位検査だ
けしか行うことができない。 すなわち、本発明の他の１つの目的は、動的変
位検査を行うことのできる装置を提供することに
ある。 問題点を解決するための手段 本発明はウエハパターンと、このウエハパター
ン上にリングラフイ露光装置によつて投影された
マスクパターンとの間のオーバレイ誤差を測定す
るための優れた新装置に関し、この装置には、格
子付きマスクと、このマスクのパターンと同様
に、反射性の多数の線と非反射性の間隔線とが交
互に並んでいる格子付きウエハとが包含されてい
る。上記のリングラフイ装置には、投影鏡が設け
られていて、このマスクの像を、ウエハ上に投影
するようになつており、また、この格子付きのマ
スクとウエハとを、上記投影鏡に対して移動させ
るための装置も設けられている。このウエハ上の
格子が、マスク上の格子から、ずれていると、ウ
エハのパターンと、このウエハ上に投影されたマ
スクのパターンとの間のオーバレイ誤差に相当す
るモアレ縞が形成される。また、この新装置に
は、フオトダイオード配列が設けられていて、こ
の配列中の各フオトダイオードは、格子付きウエ
ハ上の画素に対応している。更に、検視鏡も設け
られていて、形成されたモアレ縞をフオトダイオ
ード配列に投影するようになつており、かつ、コ
ンピユーター装置がフオトダイオード配列からの
出力に相当するオーバレイ誤差信号を表示するよ
うになつている。 本発明の一実施態様によれば、上記コンピユー
ター装置からの信号に対応して、上記の投影鏡を
調整するための調整装置が設けられている。 また、本発明の他の実施態様によれば、マスク
のウエハに対するずれを、或る一定量ずつ精密に
変えるための装置と各画素についてのモアレ縞の
形状を保管するための保管装置とを備えており、
これによつて、モアレ縞の濃さの測定値から、オ
ーバレイ誤差を測定するための補正曲線が描かれ
るようになつている。さらに、本発明の１実施態
様では、上記フオトダイオード配列中の各フオト
ダイオードからのモアレ縞濃度の出力信号を、各
画素に対する測定時間中で多数回にわたつて抜き
出すようになつている。また、上記のコンピユー
ター装置には、縞の濃度信号を、上記の補正曲線
と対比して、各画素についての、この濃さに相当
するオーバレイ誤差を表示する装置が設けられて
いる。 本発明の更に別の実施態様によれば、前記の検
視鏡装置には、モアレ縞のコントラストを目視に
よつて観察する装置が設けられており、また、前
記投影鏡の焦点を調節して上記のモアレ縞のコン
トラストを強化し、これによつて解像性を強化す
る装置も設けられている。 上に述べたように、本発明の比較的重要な諸特
徴を概略的に説明したが、これは、下記において
述べられる詳細な説明が十分に理解され、関連技
術に対する本発明の効用を高く評価されるように
するためである。本発明には勿論、上記以外の多
くの特徴があるが、その詳細については、以下の
記述で説明することにする。以下に述べる本発明
の基礎となる概念を利用すれば、本発明の目的と
する各種の装置を容易に作り出すことができるこ
とは、当業技術者には理解されることと思われる
が、このような諸装置も、本発明の要旨と範囲か
ら逸脱するものではないことを銘記されない。 実施例 以下の記述において、本発明の幾つかの実施態
様を、その説明図面と共に取り上げて、本発明の
詳細を説明することにする。 第１図に示した概略図で見られるように、ウエ
ハパターンと、このウエハ上にリングラフイ露光
装置で投影されたマスクパターンとの間のオーバ
レイ誤差を測定するための、本発明による装置に
は、格子付きマスク１０と、このマスクと同様
に、反射性の多くの直線部と、この各直線部間を
隔てる非反射性の多くの中間部とを備えた格子付
きウエハ１２とが包含されている。マスク１０を
ウエハ１２上に投影するための適当なリングラフ
イ露光装置としては、相当する適宜な装置を、本
発明に従つて修正、使用することができ、この装
置の例としては、米国特許第4011011号、同第
4068947号、同第3748015号および同第4293186号
で開示されたもの、または、Perkin−Elmer社製
のMicralign500型装置、同じく300型装置等を挙
げることができる。 マスク１０上には、狭い弧状の細線状部分１４
が、図示されていない照明器によつて規定されて
いる。また、この弧状部分は、リングラフイ装置
の投影鏡１８によつて、ウエハ１２の表面上に１
６で示されるように投影されている。さらに、こ
のリングラフイ装置にはマスクとウエハとの架台
２０が設けられていて、マスクとウエハとを相互
に固定すると共に、この両者を上記弧状細線部に
沿つて動かせて、ウエハ面を露光させるようにな
つている。このリングラフイ装置にはまた、広角
検視鏡２２が設けられていて、弧状部分１６の反
射像をフオトダイオード配列２４に投影するよう
になつている。このような仕組によつて、弧状部
分１６に沿つた多数の位置、例えば２８の位置、
すなわち画素におけるモアレ縞の濃さが測定され
る。フオトダイオード配列２４からの出力は、予
備増幅された後、界面回路２６中の電圧計で測定
され、その数値がコンピユーター２８に入力され
る。コンピユーター２８は、上記のフオトダイオ
ード配列からの出力に相当するオーバレイ誤差信
号を３０に送り出す。更に、調節部材群３１が設
けられていて、本装置の投影鏡１８を手動または
コンピユーター２８からの信号に即応して調節す
るようになつている。 第２図で示されるように、マスク１０の或る例
では、３２で示されるように、多数の着色水平線
帯と、同数で同じ幅の透明な間隔帯とが交互に並
んでいる第１の格子パターン（模様）がつけられ
ており、この１対の水平帯のピツチは約２〜6μm
程度となつている。このマスクには第２の透明な
水平部分３４が設けられている。第３の格子パタ
ーンは、線帯が垂直に並べられていること以外
は、第１のものと同じパターンがつけられてい
る。すなわち、多数の着色垂直線帯と、同数、同
幅の透明な間隔帯とが交互に並んでいる。この水
平線帯と垂直線帯とを使つた測定結果を組合わせ
ると、この両方向の誤差の合成誤差が得られ、そ
のピツチは、例えば、約２〜6μmである。このマ
スクパターンは特に正確に配置する必要があり、
このためには、多数の水平パターンと、これと異
る多数の垂直パターンとを同一のマスク上に付け
ることが望ましい。 第１図中のウエハ１２には幅格子か又は位相格
子のパターンを付けるとよい。幅格子は、マスク
の格子のように、反射性線帯部と非反射性の中間
線帯とが交互に並んでいるパターンであり、これ
を作り出す１つの適当な方法は次のような段階で
行う。すなわち、シリコンウエハ上に、黒色染料
を混入したフオトレジスト層を作つた後、これを
焼き乾かし、その上に明色々素を0.1μmの厚さに
吹きつけてから、1μm厚さのフオトレジスト層を
作つた後で焼き固める。更にこの方法は格子付き
マスクを用いてウエハを露光する工程と、次いで
フオトレジストを現像する工程とを含む。これに
よつて、黒色レジスト上に明色の線が並んでいる
幅格子が作り出される。 位相格子ウエハと言うのは、そのある部分また
は線群が他の部分または線群とは異つた位相遅れ
を持つているウエハのことである。この１例とし
てのウエハは反射性の表面と、この表面上に引い
た、SiO₂等の無機質透明な化合物から成る線群
とを有しており、他の例としてのウエハは反射性
の着色表面とその上に堆積させたフオトレジスト
の線群とを有している。これによつて、位相遅れ
になつている線群と位相遅れのない線群とが並ん
でいるウエハが得られることなり、この被覆の厚
さによつて、位相差が規定されることになる。 オーバレイの測定に当つては、格子付きマスク
と、これに対応する格子付きウエハとをリングラ
フイ装置に取付けた後、検視鏡によつて、モアレ
縞を弧状の像に沿つて観測して行く。縞の濃さ
は、第３図に見るように、マスクとウエハとの間
のずれ、すなわち、格子線に直角方向のオーバレ
イ誤差が大きくなるにつれて、周期的に変つて行
く。この周期すなわち、オーバレイ誤差の或る値
が次の同じ値になるまでのずれの変位量はこの格
子のピツチに等しい。フオトダイオード配列に対
する入力は1/60秒毎の刻みで行われるため、照明
源の「ゆらめき」が結果に影響を及ぼすことはな
い。 第４図は、オーバレイの変動量を、時間の関数
としてプロツトしたグラフを示しており、誤差の
読みは1/60秒毎に行われている。この図で見られ
るように、オーバレイ誤差は時間の経過と共に変
動して脈動変化をしている。若し脈動が無けれ
ば、第４図中の曲線は直線となることになる。 次に第３図を再び参照すると、マスクとウエハ
とがほぼ完全に重なり合う場合には、縞の濃度が
最大となつて、第３図中の曲線はピークに達す
る。また、マスクとウエハとのずれが最大になる
と、縞の濃度は最小となつて、第３図の曲線は谷
底に至る。従つて、ずれの読み取りを曲線の高さ
の中央位置で行えるようにオーバレイ誤差を定め
ると都合がよいことが知られている。これによつ
て、ずれの小変動に対してオーバレイ誤差が大き
く変化する曲線部分が傾斜の大きい所に当るた
め、誤差量の変化の読みを鋭敏に行うことができ
ることになる。換言すれば、ずれの小変動が曲線
の頂上または谷底付近で起つても、これによつて
縞濃度が大きく変ることはない。オーバレイ誤差
の読み、すなわち捕集範囲を中央線近くの曲線の
片側だけで行えるようにするためには、ピツチ、
すなわち、マスクとウエハとの線模様のピーク間
の距離を、使用される機器の精度に対応して定め
なければならない。例えば、現在使つている機器
のオーバレイ精度がプラス／マイナス0.5ミクロ
ン（μm）であれば、この機器は、6μmピツチの
パターンを有するマスクの可使用範囲内に在る。
すなわち、捕集範囲は、プラス／マイナス1/4
（ピツチ）であり、6μmピツチであれば、その捕
集範囲はプラス／マイナス1.5μmとなり、機器の
精度が0.5μmであれば、この機器はその可使用範
囲内に入るからである。 測定結果を補正するためには、一定の速度でオ
ーバレイ誤差を計測し続けて、第４図に示される
ように、各画素毎の縞濃度の時間による変化を観
測する。オーバレイ誤差は１ピツチ毎に、こゝで
は6μm毎に、１つのピークから次のピークえと変
つて行くため、第４図のモアレ縞のすべてについ
てのデータを、第５図に示すように、オーバレイ
誤差に対する縞濃度の補正曲線に合成することが
でき、これによつて各画素が個々に補正される。
マスクのウエハに対する変位（ΔXまたはΔY）
をある一定量づつ精密に変えて行つて、縞の変化
を追跡し続ける。これによつて描かれる。例えば
８本の縞濃度曲線を重ねて見ると、これらの曲線
は、実質的には単一の曲線上に重なることにな
る。このようにして、28個の各画素の縞特性を、
コンピユーターの記憶中に保管させることができ
る。この補正曲線によつて、縞濃度の測定値か
ら、オーバレイ誤差の測定ができることになる。 この測定の代表的な例が第１表に示されてい
る。この表に示された画素毎に1/60秒置きに連続
的に取つた５個づつの計測値から、各測定値の繰
返し精度は約±0.2μmであることが判る。

【表】

【表】 第６図は各画素毎の平均オーバレイ誤差を図示
したものであり、マスクパターン部の端に近い３
点を除いては、直線からの偏差は何れも0.1μmよ
り可成り小さい。このようにして、マスクとウエ
ハとを走査測定すれば、ウエハ全体にわたるオー
バレイ誤差を測定することができる。 第７ａおよび７ｂ図では、本発明の上記に加え
ての有用性が示されている。第７ａ図には、合成
オーバレイ誤差測定値を10ppmに拡大した長さが
図示されており、この実験はモアレ縞測定装置が
取付けられたPerkin−Elmer社製の
Micralign500型装置によつて行われた。第７ｂ
図では拡大率と拡大測定値との関係が図示されて
いる。この図で見られるように、あまり重要でな
い「ずれ」が１個所あるだけで、完全一致の線と
は非常に近接しており、この装置におけるオーバ
レイ誤差が2ppmそこそこであることが判る。こ
の値は事実上、非常に小さなものである。 第８図は、使用したMicralign500型装置に打
撃を与えた直後におけるオーバレイ誤差の変動値
を時間経過に合せてプロツトしたものを示してい
る。この図は、当該装置に物理的打撃を加えた後
での、オーバレイ誤差値の変動を1/60秒毎に測定
した結果の１例であり、この変動が次第に安定化
しているのが認められる。第８図では、弧状帯
（第１図における要素１６）に沿つた全測定個所
でなく、上下両端と中央との３点だけの測定値
が、簡単にするために図示されているが、これら
３本の曲線がほぼ同様な傾向を示しているのが認
められる。すなわち、この図は本発明による装置
の有用性の１例を示すものである。 モアレ縞のコントラストから、使用されたリン
グラフイ装置に解像性の指標が得られ、鮮明な縞
はすぐれた像形成性を示している。この特徴を定
性的に利用して解像性を強化する１方法では、先
ずこの装置をモアレ縞が形成されるように調節す
る。次いで、形成されたモアレ縞のコントラスト
を見ながら、調節部材群３１中の何れかのねじま
たはノブを廻して、焦点を変えて行つて、モアレ
縞のコントラストを極大にする。すなわち、モア
レ縞の性状を機器の何れかの調節部材の関数とし
て観測しながら、解像性を強化することになる。
第９図は、モアレ縞のコントラストと、焦点外れ
との関係を示すものであり、この曲線から、縞の
コントラストを利用して、焦点外れを検知するこ
とのできることがわかる。これを実施するには、
モアレ縞装置を取付けたPerkin−Elmer社
Micralign500型装置を使つた。すなわち、第１
図で示された弧状帯１６を少し傾けて、そ上端が
正方向に焦点から外れ、中央部が完全に焦点に合
い、かつ、下端が負方向に外れるようにした。次
いで、このように傾けられた弧状帯に沿つて測定
位置を変えながら縞の濃度を測つて行つた。こ結
果から、縞のコントラストが変つて行つて、こ装
置の感度を示していることが判る。この装置を使
う場合には、上記の弧状帯の傾きを変えて行つ
て、こ曲線が直線となるようにすれば、この時
に、この装置が焦点に合つていることになる。 上述の説明によつて、ウエハパターンと、この
ウエハ上に、リングラフイ露光装置によつて投影
されたマスクパターン像との間のオーバレイ誤差
を測定するための本発明による装置が、在来技術
による同種装置より遥かに優れたものであること
が了解されたことと思われる。 上記には、本発明の幾つかの実施態様が説明の
ために引用されており、これを精続すれば、当業
技術者には更に別の各種の改造品が可能となるも
のと考えられるが、本発明は、これらの改造品を
も包含するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、リングラフイク装置中のオーバレイ
誤差を測定するための本発明による装置の構成
図、第２図は、本発明の概念に従つて描かれたマ
スク素子の拡大平面図、第３図は、モアレ縞の濃
度と変位量との関係を示すグラフ、第４図は、オ
ーバレイ誤差が測定時によつて変る状況を示すグ
ラフ、第５図は、ある画素についての、オーバレ
イ誤差とモアレ縞濃度との関係を示したグラフ、
第６図は、各画素毎のオーバレイ誤差を示したグ
ラフ、第７ａ図は、個々のオーバレイ誤差測定値
を10ppmに拡大したものを表示したグラフ、第７
ｂ図は、拡大倍率と拡大測定値との関係を図示し
たグラフ、第８図は、リングラフイク露光装置に
打撃を加えた直後に、オーバレイ誤差が時間の経
過と共に安定して行く状況を示すグラフ、第９図
は、モアレ縞コントラストと焦点外れとの関係を
示すグラフである。 １０…マスク、１２…ウエハ、１４…弧状細線
状部分、１６…弧状部分、１８…投影鏡、２０…
マスク及びウエハ架台、２２…検視鏡、２４…フ
オトダイオード配列、２６…界面回路、２８…コ
ンピユーター、３０…出力、３１…調節部材群、
３２…着色水平線帯、３４…透明水平部分、３６
…着色垂直線帯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ウエハパターンと、このウエハ上にリングラ
   フイ露光装置によつて投影されたマスクパターン
   との間のオーバレイ誤差を測定するための装置で
   あつて、 格子付きマスク、 上記マスクとほぼ同様なパターンが付けられた
   反射性格子付きウエハ、 上記マスクの像を上記ウエハ上に投影するため
   の投影鏡と、上記の格子付きマスクと格子付きウ
   エハとを、上記の投影鏡に対して移動させるため
   の装置とを備えており、かつ、上記ウエハ上の格
   子が上記マスク上の格子からずれると、このウエ
   ハパターンと、このウエハ上に投影されたマスク
   パターンとの間のオーバレイ誤差に相当するモア
   レ縞を形成するようになつている上記のリングラ
   フイ装置、 フオトダイオード配列の各フオトダイオード
   が、上記格子付きウエハ上の各１個の画素に対応
   しているフオトダイオード配列、 上記のモアレ縞を上記のフオトダイオード配列
   上に投影するための検視鏡、および、 上記フオトダイオード配列からの出力に対応す
   るオーバレイ誤差を算定、送出するためのコンピ
   ユーター装置、 を備えたオーバレイ誤差測定装置。 ２ 前記の格子付きマスクにピツチ約２〜6μmの
   格子パターンが付けられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 前記のウエハに振幅格子が付けられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ４ 前記のウエハに位相格子が付けられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ５ 前記のリングラフイ露光装置の精度（ミクロ
   ン）が、前記格子付きマスク上の格子パターンの
   ピツチの1/4より小さいことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 ６ 前記のウエハ格子は、前記マスクのパターン
   と同様に、多数の水平に並んだ反射性線帯と非反
   射性間隔帯とが交互に並んでいるパターンと、多
   数の垂直に並んだ反射性線帯と非反射性間隔帯と
   が交互に並んでいるパターンとを有していること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 ７ 前記の投影鏡を、前記のコンピユーター装置
   からの信号に対応して調節するための調節装置を
   も備えていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 ８ 前記各画素に対する各測定時間中に多数回に
   わたつて、前記フオトダイオード配列中のそれぞ
   れのフオトダイオードからの信号を抜き出す装置
   が備えられており、かつ、前記のコンピユーター
   装置が、前記各画素に対する各測定時間中にオー
   バレイ誤差を算出する装置を備えていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 ９ 前記ウエハに対する前記マスクの変位量を、
   ある定つた量だけ精密に変えるための装置と、前
   記各画素についてのモアレ縞の形状特性を保管
   し、これによつて、モアレ縞濃度の測定値からオ
   ーバレイ誤差を測定するための補正曲線を作り出
   すため保管装置とを備えていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 １０ 前記フオトダイオード配列中の各フオトダ
   イオードからの、モアレ縞濃度の信号を、前記各
   画素に対する各測定時間中に多数回にわたつて抜
   き出す装置が備えられており、かつ、前記のコン
   ピユーター装置が、前記の縞濃度信号を前記補正
   曲線と対比し、かつ、前記各画素についての相当
   するオーバレイ誤差の信号を出す装置を備えてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の
   装置。 １１ 前記のオーバレイ誤差に対応して前記の投
   影鏡を調節するための装置を備えていることを特
   徴とする特許請求の範囲第９項記載の装置。 １２ 前記の検視鏡には、前記モアレ縞のコント
   ラストを目視によつて観察する装置と、前記投影
   鏡の焦点を調節して、前記モアレ縞のコントラス
   トを強化し、これによつて解像性を強化するため
   の装置とが備えられていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の装置。