(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
比較的視野が大きく且つ比較的解像度が低い第一の二次元光電変換部と、
比較的視野が小さく且つ比較的解像度が高い第二の二次元光電変換部と、
前記第一及び第二の二次元光電変換部それぞれに被測定パターンを略等しい光学倍率で結像する結像部と、
前記第一の二次元光源変換部で得られた画像データを処理して、比較的寸法が大きい外側の前記被測定パターンからその中心位置を算出すると共に、前記第二の二次元光電変換部で得られた画像データを処理して、比較的寸法が小さい内側の前記被測定パターンからその中心位置を算出し、両中心位置の差を予め測定された前記第一及び第二の二次元光電変換部それぞれの画像のズレ量に基づいて算出する画像処理部と
を具備することを特徴とするパターン位置計測装置。
【請求項２】
前記被測定パターンは、前記比較的寸法の大きな四角形と、前記比較的寸法の小さいな四角形とからなり、前記大きな四角形の中に前記小さいな四角形が入ってなることを特徴とする請求項１に記載のパターン位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の寸法に大小の差がある場合でも精度良く測定できるパターン位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の顕微鏡を使用した測長機、とりわけ半導体、液晶等を対象とした測長機（又はパターン位置計測装置）により測長する方法としては、例えば次のようなものがある。
【０００３】
対象物である半導体ウェハの表面に形成されたレジストパターンをある倍率で拡大した像をＣＣＤカメラの光電変換面に形成して、そのパターン位置を計測してパターン位置の相互間等の寸法を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近の半導体製造プロセスでは、光による露光と電子線による露光とがプロセス中に混在していることがあり、光学露光の際に測定しようとするパターン（マーク）に比べて電子線露光の際のそれの方が大変小さい。つまり、長さが非常に異なる寸法を一つの測長機（又はパターン位置計測装置）により測定しなければならない場合がある。従って、上記従来の測長機のように被測定マークを一つの倍率で拡大した像により寸法測定を行うと、精度良く測定することができない。このため、精度良く寸法測定を行うには、寸法の小さいマークを測定する場合は比較的大きな倍率でマークを拡大し、寸法の大きいマークを測定する場合は比較的小さな倍率でマークを拡大することが考えられる。
【０００５】
以上のことから、光学露光用のマーク及び電子線露光用のマークの両者を測定するパターン位置計測装置としては図４に示すものが考えられる。以下、このパターン位置計測装置について説明する。
【０００６】
図４に示すパターン位置計測装置は、対象物であるウェハ７の表面に形成されたレジストパターンの拡大像を形成して、そのパターン位置を計測してパターン位置相互間等の寸法を測定する装置である。ウェハ７は真空チャックや静電チャック等の把持手段８により固定されている。把持手段８は、光軸方向及びその垂直面内（Ｚ方向、Ｘ−Ｙ面）で走査される。
【０００７】
このパターン位置計測装置は、ウェハ７の直上に配置されている測長光学系１００と、該光学系１００の側方に配置されている照明光学系１０３及びオートフォーカス光学系１０５を具備する。
【０００８】
照明光学系１０３には、その光軸上に順に、光源１、コンデンサレンズ２、ＡＦ用スリット３、投影レンズ４及び第一のハーフミラー５が配置されている。光源１から射出された照明光は、コンデンサレンズ２を通って集光され、次にＡＦ用スリット３に入射する。ＡＦ用スリット３の周辺部には、オートフォーカス用のスリットが形成されている。ＡＦ用スリット３の中央部は透明である。ＡＦ用スリット３によりオートフォーカス用のスリット状の光束が形成され、ＡＦ用スリット３から出た照明光は、投影レンズ４により適当な照明倍率を与えられる。照明光学系１０３と測長光学系１００の光軸が交差する点には、第一のハーフミラー５が置かれている。投影レンズ４を出た照明光は、このハーフミラー５に当って下方に反射され、次に第一の対物レンズ６を経てウェハ７を照明する。
【０００９】
測長光学系１００には、ウェハ７に近い方から順に、第一の対物レンズ６、第一のハーフミラー５、第二のハーフミラー９、第二の対物レンズ１０、第三のハーフミラー２０、第一の結像レンズ１１及び第一の二次元光電変換手段（第一のＣＣＤカメラ）１２が配置されている。このうち、第一の対物レンズ６はオートフォーカス光学系１０５及び照明光学系１０３ともに共用されている。また、第三のハーフミラー２０により反射される光の光軸上には、ミラー２１、第二の結像レンズ２３及び第二の二次元光電変換手段（第二のＣＣＤカメラ）２２が配置されている。
【００１０】
ウェハ７に入射した照明光は、ウェハ７の上面で反射する。この反射光は上方に向い、第一の対物レンズ６及び第一のハーフミラー５を通過し、第二のハーフミラー９に至る。第二のハーフミラー９は、反射光の一部を上方に通過させ、一部を側方に反射する。通過した光は、第二の対物レンズ１０を通過し、第三のハーフミラー２０に至る。第三のハーフミラー２０は、通過光の一部を上方に通過させ、一部を側方に反射する。通過した光は測定または観察の用に供せられ、第一の結像レンズ１１を通過して、第一の倍率で第一のＣＣＤカメラ１２の光電変換面に拡大結像する。一方、第三のハーフミラー２０で反射した光は測定または観察の用に供せられ、ミラー２１で反射され、第二の結像レンズ２３を通過して、第二の倍率で第二のＣＣＤカメラ２２の光電変換面に拡大結像する。この第二の倍率は第一の倍率に比べて高倍率である。
【００１１】
一方、第二のハーフミラー９で反射した光は、オートフォーカス光学系１０５に入る。オートフォーカス光学系１０５には、ハーフミラー９から順に、リレーレンズ１３、瞳分割プリズム１４、ＡＦ用結像レンズ１５、シリンドリカルレンズ１６及びＡＦ用光電変換手段１７が配置されている。瞳分割プリズム１４は、オートフォーカス光学系１０５のほぼ瞳位置に配置されており、その分割線（中央の尾根）は光軸と一致している。
【００１２】
シリンドリカルレンズ１６は、オートフォーカス光を幅方向に圧縮して光電変換手段１７上に結像させる。なお、光電変換手段１７は、幅約１０μm 、長さ２０mmのライン状のＣＣＤセンサである。結局、ＡＦ用光電変換手段１７には、ウェハ７に投射されたＡＦ用スリットの像が、瞳分割プリズム１４によって二つに分割されて結像する。
【００１３】
ＡＦ用光電変換手段１７が検出したＡＦ用スリットに関する信号は、このパターン位置計測装置の制御部内のフォーカス位置検出手段１８に送られて処理され、正規のフォーカス位置が検出される。
【００１４】
このフォーカス位置に関する信号は、フォーカスアクチュエータ駆動手段１９に送られ、同手段１９は、把持手段８のＺテーブル駆動用のアクチュエータを駆動してウェハ７を上下し、正規のフォーカス位置にウェハ７の上面を位置決めする。
【００１５】
上述の第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２それぞれにより得られた倍率の異なる２つの画像情報を用いて、例えば次のように測定する。
【００１６】
まず、把持手段８を移動させることにより、ウェハ７上の測定マークを視野中心に収め、比較的低倍の（視野の広い）第一の光電変換手段１２による画像データにより、比較的長い寸法の測定演算を行う。次に、比較的高倍の（視野の狭い）第二の光電変換手段２２による画像データにより、比較的短い寸法の測定演算を行う。
【００１７】
上述した方法で図４に示すパターン位置計測装置により測定を行った場合、倍率の異なる第一及び第二の結像レンズ１１、２３を用いているため、第一及び第二の光電変換手段１２、２２に結像した際の収差が異なるものとなる。これにより、被測定マークの構造によっては両者の結像位置がずれてしまう等の問題が生じ、結局は測定した寸法に十分な精度が得られない。
【００１８】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、被測定物の寸法に大小の差がある場合でも精度良く測定できるパターン位置計測装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るパターン位置計測装置は、比較的視野が大きく且つ比較的解像度が低い第一の二次元光電変換部と、比較的視野が小さく且つ比較的解像度が高い第二の二次元光電変換部と、第一及び第二の二次元光電変換部それぞれに被測定パターンを略等しい光学倍率で結像する結像部と、第一の二次元光源変換部で得られた画像データを処理して、比較的寸法が大きい外側の前記被測定パターンからその中心位置を算出すると共に、第二の二次元光電変換部で得られた画像データを処理して、比較的寸法が小さい内側の被測定パターンからその中心位置を算出し、両中心位置の差を予め測定された第一及び第二の二次元光電変換部それぞれの画像のズレ量に基づいて算出する画像処理部と、を具備することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るパターン位置計測装置は、視野の大きさ及び解像度が互いに異なる少なくとも二つの二次元光電変換部と、該二次元光電変換部それぞれに被測定パターンを略等しい光学倍率で結像する結像部と、該二次元光電変換部のうちの少なくとも一の変換部で得られる画像データを処理して該被測定パターンの位置又は該被測定パターン間の位置の差を算出する画像処理部と、を具備することを特徴とする。
【００２１】
上記パターン位置計測装置では、第一及び第二の二次元光電変換部を具備するので、倍率の異なる測定画像を得ることができる。このため、比較的寸法の大きい被測定パターンの位置又は該被測定パターン間の位置の差の計測には、比較的視野が大きく且つ比較的解像度が低い第一の二次元光電変換部で得られる画像データを用い、比較的寸法の小さい被測定パターンの位置又は該被測定パターン間の位置の差の計測には、比較的視野が小さく且つ比較的解像度が高い第二の二次元光電変換部で得られる画像データを用いることができる。したがって、寸法の大きい被測定パターンの位置等を低倍率の画像データを用いて画像処理部で演算することにより求め、寸法の小さい被測定パターンの位置等を高倍率の画像データを用いて画像処理部で演算することにより求めることができる。このため、被測定パターンの寸法に大小の差がある場合でも精度良く測定できる。
【００２２】
また、第一及び第二の二次元光電変換部それぞれに被測定パターンを略等しい光学倍率で結像する結像部を具備するため、該二次元光電変換部に略収差の等しい該被測定パターンの像を形成できる。このため、両者の結像位置がずれてしまう問題が生じることがない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるパターン位置計測装置を示す構成図である。
【００２４】
このパターン位置計測装置は、対象物であるウェハ７の表面に形成されたレジストパターンの拡大像を形成して、そのパターン位置を測定してパターン位置相互間等の寸法を測定する装置である。ウェハ７は真空チャックや静電チャック等の把持手段８により固定されている。把持手段８は、光軸方向及びその垂直面内（Ｚ方向、Ｘ−Ｙ面）で走査される。
【００２５】
図１のパターン位置計測装置は、ウェハ７の直上に配置されている測長光学系１１０と、該光学系１１０の側方に配置されている照明光学系１１３及びオートフォーカス光学系１１５を具備する。
【００２６】
照明光学系１１３には、その光軸上に順に、光源１、コンデンサレンズ２、ＡＦ用スリット３、投影レンズ４及び第一のハーフミラー５が配置されている。光源１から射出された照明光は、コンデンサレンズ２を通って集光され、次にＡＦ用スリット３に入射する。ＡＦ用スリット３の周辺部には、オートフォーカス用のスリットが形成されている。ＡＦ用スリット３の中央部は透明である。ＡＦ用スリット３によりオートフォーカス用のスリット状の光束が形成され、ＡＦ用スリット３から出た照明光は、投影レンズ４により適当な照明倍率を与えられる。照明光学系１１３と測長光学系１１０の光軸が交差する点には、第一のハーフミラー５が置かれている。投影レンズ４を出た照明光は、このハーフミラー５に当って下方に反射され、次に第一の対物レンズ６を経てウェハ７を照明する。
【００２７】
測長光学系１１０には、ウェハ７に近い方から順に、第一の対物レンズ６、第一のハーフミラー５、第二のハーフミラー９、第二の対物レンズ１０、結像レンズ１１、第三のハーフミラー２０及び第一の二次元光電変換手段、例えば第一のＣＣＤカメラ１２が配置されている。このうち、第一の対物レンズ６はオートフォーカス光学系１１５及び照明光学系１１３ともに共用されている。また、第三のハーフミラー２０により反射される光の光軸上には、ミラー２１及び第二の二次元光電変換手段、例えば第二のＣＣＤカメラ２２が配置されている。
【００２８】
第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２は、それぞれ画素の大きさが異なるものを用いる。例えば、第一のＣＣＤカメラ１２は、画面外接円の直径が２／３インチ、画素サイズが１４μm 、補間分解能が１．４μm のものを用い、第二のＣＣＤカメラ２２は、画面外接円の直径が１／３インチ、画素サイズが７μm 、補間分解能が０．７μm のものを用いる。これらＣＣＤカメラ１２、２２は画素数が同じで画素の大きさが異なる。
【００２９】
ウェハ７に入射した照明光は、ウェハ７の上面で反射する。この反射光は上方に向い、第一の対物レンズ６及び第一のハーフミラー５を通過し、第二のハーフミラー９に至る。第二のハーフミラー９は、反射光の一部を上方に通過させ、一部を側方に反射する。通過した光は、第二の対物レンズ１０及び結像レンズ１１を通過し、第三のハーフミラー２０に至る。第三のハーフミラー２０は、通過光の一部を上方に通過させ、一部を側方に反射する。通過した光は、測定または観察の用に供せられ、第一のＣＣＤカメラ１２の光電変換面に拡大結像する。また、第三のハーフミラー２０で反射した光は、測定または観察の用に供せられ、ミラー２１で反射され、第二のＣＣＤカメラ２２の光電変換面に拡大結像する。第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２それぞれにより得られた画像データは画像処理手段３０に送られる。画像処理手段３０において画像データが画像処理され、マーク寸法の測定が行われる。
【００３０】
一方、第二のハーフミラー９で反射した光は、オートフォーカス光学系１１５に入る。オートフォーカス光学系１１５には、ハーフミラー９から順に、リレーレンズ１３、瞳分割プリズム１４、ＡＦ用結像レンズ１５、シリンドリカルレンズ１６及びＡＦ用光電変換手段１７が配置されている。瞳分割プリズム１４は、オートフォーカス光学系１１５のほぼ瞳位置に配置されており、その分割線（中央の尾根）は光軸と一致している。
【００３１】
シリンドリカルレンズ１６は、オートフォーカス光を幅方向に圧縮して光電変換手段１７上に結像させる。なお、光電変換手段１７は、幅約１０μm 、長さ２０mmのライン状のＣＣＤセンサである。結局、ＡＦ用光電変換手段１７には、ウェハ７に投射されたＡＦ用スリットの像が、瞳分割プリズム１４によって二つに分割されて結像する。
【００３２】
ＡＦ用光電変換手段１７が検出したＡＦ用スリットに関する信号は、このパターン位置計測装置の制御部内のフォーカス位置検出手段１８に送られて処理され、正規のフォーカス位置が検出される。
【００３３】
このフォーカス位置に関する信号は、フォーカスアクチュエータ駆動手段１９に送られ、同手段１９は、把持手段８のＺテーブル駆動用のアクチュエータを駆動してウェハ７を上下し、正規のフォーカス位置にウェハ７の上面を位置決めする。
【００３４】
上述したパターン位置計測装置では、結像レンズ１１により拡大された像が第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２それぞれの光電変換面に形成されるため、光学的な結像倍率（光学倍率）は変わらない。しかし、互いに画素の大きさが異なる第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２を用いているため、倍率（ＣＣＤ倍率）の異なる画像データを得ることができる。
【００３５】
ここにいう「倍率（ＣＣＤ倍率）」とは、視野の大きさと解像度により決まるものであって、視野が広く（即ち、ＣＣＤカメラの画面外接円が大きいこと、光電面の面積が大きいこと）、解像度が低い（即ち、ＣＣＤカメラの画素サイズが大きい）ほどＣＣＤ倍率は小さくなり、視野が狭く、解像度が高いほどＣＣＤ倍率は大きくなるものをいい、光学倍率とは内容が異なるものである。具体的に第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２を比較した場合、画面外接円は第一のＣＣＤカメラ１２の方が大きく、画素サイズは第一のＣＣＤカメラ１２の方が大きいので、第一のＣＣＤカメラ１２の倍率の方が第二のＣＣＤカメラ２２のそれより小さい。
【００３６】
また、第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２それぞれの光電変換面に形成される像が両者とも結像レンズ１１により拡大したものであるので、収差の状態に差のない画像データを得ることができる。
【００３７】
次に、図１のパターン位置計測装置を用いた具体的な測定方法について説明する。
図２は、図１に示すパターン位置計測装置で測定されるマークの例を示す平面図である。このマークは、平面形状が四角形からなる外側のＢＯＸ３１及びそれに比べて寸法の小さい内側のＢＯＸ３３により構成されている。内側のＢＯＸ３３は、第一〜第四の長方形パターン３３ａ〜３３ｄで囲むことにより構成されている。第一及び第二の長方形パターン３３ａ、３３ｂが長い方の辺（長さ３０〜４０μm ）で互いに対向し、第三及び第四の長方形パターン３３ｃ、３３ｄが長い方の辺で互いに対向し、この二つの対向する向きが直交している。
【００３８】
図２のマークで測定する部分は、外側のＢＯＸ３１の中心と内側のＢＯＸ３３の中心との間の距離である。
【００３９】
このマークをパターン位置計測装置で測定する際、比較的寸法の大きい外側のＢＯＸ３１の中心位置の演算には第一のＣＣＤ倍率による第一のＣＣＤカメラ１２で得られる画像データを用い、比較的寸法の小さい内側のＢＯＸ３３の中心位置の演算には第一のＣＣＤ倍率より高倍率の第二のＣＣＤ倍率による第二のＣＣＤカメラ２２で得られる画像データを用いる。これにより、図３（ａ）に示すような像２４が第一のＣＣＤカメラ１２で得られ、図３（ｂ）に示すような像２５が第二のＣＣＤカメラ２２で得られる。図３（ｂ）の像２５はＣＣＤ倍率が大きいものであるため、内側のＢＯＸのみの像となり、外側のＢＯＸの像は形成されない。
【００４０】
したがって、寸法の大きい外側のＢＯＸ３１の中心位置を低倍率の画像データによる画像処理手段３０での演算により求め、寸法の小さい内側のＢＯＸ３３の中心位置を高倍率の画像データによる画像処理手段３０での演算により求めることができる。これにより、第一のＣＣＤ倍率の画像２４により内側のＢＯＸと外側のＢＯＸの両方の中心位置を求めた場合に比べて測定精度を向上させることができる。
【００４１】
すなわち、内側のＢＯＸ３３のように被測定マークがとても小さいものは、図３（ｂ）に示すように、そのマークだけ拡大することにより、内側のＢＯＸ３３の中心位置を精度良く測定する。そして、外側のＢＯＸ３１のように被測定マークが大きいものは、別の倍率で図３（ａ）に示すように撮像することにより、外側のＢＯＸ３１の中心位置を精度良く測定する。この二つの異なる倍率の画像の相互間の位置のズレ量をあらかじめ測定しておくことにより、二つの中心位置の距離を算出する際に、そのズレ量を考慮すれば、その距離を精度良く測定できる。
【００４２】
また、上述したように第一及び第二のＣＣＤカメラ１２、２２それぞれの光電変換面には収差の状態に差のない像を形成できる。即ち、図３（ａ）、（ｂ）に示す像は収差の状態に差のないものである。このため、両者の結像位置がずれてしまう等の問題が生じることがなく、測定した寸法に十分な精度を得ることができ、安定な測定を行うことができる。
【００４３】
尚、上記実施の形態では、倍率の異なる二つの二次元光電変換手段（ＣＣＤカメラ１２、２２）を備えたパターン位置計測装置を用いているが、倍率の異なる三つ以上の二次元光電変換手段（ＣＣＤカメラ）を備えたパターン位置計測装置を用いることも可能である。この場合は、三つ以上の二次元光電変換手段のうちから被測定マークの大きさに適した倍率の二次元光電変換手段を適宜選択することで精度良く測長することが可能となる。
【００４４】
例えば、互いに異なる第一〜第三の倍率による第一〜第三の光電変換手段を備えたパターン位置計測装置を用いて図２に示すマークを測定する場合、外側のＢＯＸ３１の測定を第一の倍率の画像で行い、内側のＢＯＸ３３の測定を第二の倍率の画像で行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、比較的視野が大きく且つ比較的解像度が低い第一の二次元光電変換部と、比較的視野が小さく且つ比較的解像度が高い第二の二次元光電変換部とを具備している。したがって、被測定物の寸法に大小の差がある場合でも精度良く測定できるパターン位置計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるパターン位置計測装置を示す構成図である。
【図２】図１に示すパターン位置計測装置で測定されるマークの例を示す平面図である。
【図３】図３（ａ）は、第一の二次元光電変換手段で得られる図２の被測定マークを示す画像であり、図３（ｂ）は、第二の二次元光電変換手段で得られる図２の被測定マークを示す画像である。
【図４】パターン位置計測装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１…光源                          ２…コンデンサレンズ
３…ＡＦ用スリット                ４…投影レンズ
５…第一のハーフミラー            ６…第一の対物レンズ
７…ウェハ                        ８…把持手段
９…第二のハーフミラー          １０…第二の対物レンズ
１１…結像レンズ（第一の結像レンズ）
１２…第一の二次元光電変換手段（第一のＣＣＤカメラ）
１３…リレーレンズ                １４…瞳分割プリズム
１５…ＡＦ用結像レンズ            １６…シリンドリカルレンズ
１７…ＡＦ用光電変換手段          １８…フォーカス位置検出手段
１９…フォーカスアクチュエータ駆動手段
２０…第三のハーフミラー          ２１…ミラー
２２…第二の二次元光電変換手段（第二のＣＣＤカメラ）
２３…第二の結像レンズ
２４…第一の二次元光電変換手段（第一のＣＣＤカメラ）の像
２５…第二の二次元光電変換手段（第二のＣＣＤカメラ）の像
３０…画像処理手段                ３１…外側のＢＯＸ
３３…内側のＢＯＸ                ３３ａ…第一の長方形パターン
３３ｂ…第二の長方形パターン      ３３ｃ…第三の長方形パターン
３３ｄ…第四の長方形パターン
１００、１１０…測長光学系
１０３、１１３…照明光学系
１０５、１１５…オートフォーカス光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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