平行平面板による収差発生と補正について

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いっけいほがり
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1 ORA セミナー半導体製造における計測用結像光学系の事例平行平面板による収差発生と補正について稲秀樹千徳孝一キヤノン ( 株 ) 製品技術研究所 ina.hideki@canon.co.jp, sentoku.koichi@canon.co.jp 1. はじめに光学の結像を利用して高精度な検出で実際に製品適用しているものの一つに半導体製造装置が上げられるその中でも本報告はアライメント検出系と重ね合せ検査装置で使用されている計測用結像光学系の収差補正に関するものである表 1 に ITRS 99 におけるリソグラフィのロードマップから引用した各 DRAM 世代での必要精度を示す重ね合せ必要精度はデザインルールの約 1/3 であり重ね合わせ検査装置必要精度は更にその 1/10 であり既に 10nm 以下の値を必要としている又注目すべきは最小単位として 0.5nm まで記載してある点でありサブナノメータを考慮する必要がある事が伺える DRAM の世代 256 M 1 G 4 G 16 G デザインルール 0.25 μm 0.18 μm 0.13 μm 0.10 μm 重ね合わせ必要精度 85 nm 65 nm 45 nm 35 nm 重ね合わせ検査装置必要精度 8.5 nm 6.5 nm 4.5 nm 3.5 nm 対物ウエハー CCD カメラ光源図 1 重ね合わせ検査装置光学系例図 1 に重ね合わせ検査装置の光学系例を示す光源としてハロゲンランプ等を使用し各種光学フィルターで所望の波長帯域のみをファイバーで光学系に導光しウエハー上の専用マークをケーラー照明するウエハーから反射した光は光学系で CCD カメラ等の撮像素子上に像を形成し光電変換されそのビデオ信号を各種画像処理を実施することにより位置検出を行なっている現在市販されている重ね合わせ検査装置及びびにアライメント検出系の原理としてはほとんどのものが図 1 に示した表 1 各 DRAM 世代での必要精度明視野照明 + 画像処理より高精度計測の為には計測用結像光学系の性能を向上する必要があり図 1 に示した様な半導体露光装置のアライメント光学系や重ね合わせ検査装置においてはコマ収差と照明系の均一性が重要であるこのコマ収差と照明系の評価方法について本報告者が新たな評価基準を提案し既に量産工程で使用され, 効果が確認されている 1) 本報告で設計段階製造段階においての収差補正について述べるものであり特に平行平面板を使用してどんな収差がどの様に発生しその収差発生を使用してどの様に補正できるかを主に TTL 方式のアライメント光学系に対して適用した場合についての報告を行うものであるを採用しており光学倍率としては 100 倍程度の高倍率であり軸上近傍の像のみを使用している次に Stepper や Scanner と呼ばれている半導体露光装置のアライメント光学系について述べる現在使用されているアライメント方式は 1)TTL 方式 2)Offaxis 方式の二つに分類できる次の頁の図 2 にアライメントを投影光学系を通して行う ( Through The Lens :TTL) 方式の例を示す

2 2. 平行平面板により発生する収差についてアライメント光学系 ( 含む逆補正系 ) 投影光学系ウエハーレチクルこの逆補正方法としては色々な方法が存在するが今回は平行平面板のみでの補正に着目して報告を行うまず平行平面板の厚さ硝材傾け角により発生する以下の収差について言及する球面収差アス ( 非点収差 ) コマ収差 CIS( Chromatic Image Shift ) 図 2 TTL 方式の構成例図 2 の様に投影光学系の固定像高に対してアライメト光学系を偏心させて配置しているウエハー上にはレジストと呼ばれる感光材が塗布されておりレジストに感度のある紫外線 (= 露光光 ) のみに対して投影光学系は徹底的に収差補正されている一方アライメントに使用する波長としては 550nm 以上のレジスト感度の無い波長 (= 非露光光 ) を使用する必然性がある投影光学系では露光光のみに収差補正されている為アライメントで使用する非露光光に対しては収差が発生するアライメントの検出原理として製品化されているもののほとんどが前述の様に画像処理を採用しているのでこの場合には非露光光でウエハー上のアライメントマークの像を CCD 等の撮像素子上に形成する必要がある TTL 方式でアライメント系を構成する為には投影光学系で発生するアライメント波長に対する収差をアライメント光学系内で逆補正して良好な像を形成する必要があるアライメント全系での光学倍率は 100 倍程度と高く使用する画角はウハー上 φ100um 程度なので投影光学系の限定画角のみの使用と考える事が出来る為ディストーションと像面湾曲は逆補正する必要はないがその他の全ての収差に対しては逆補正を行って TTL 方式のアライメント光学系を構成する投影光学系は 1m 近く長いものであるがアライメントの為の逆補正を如何にコンパクトな光学系で達成するかが光学屋の腕の見せ所と言える Offaxis 方式のアライメント光学系は図 1 に示した重ね合わせ検査装置の光学系とほぼ同じ構成をしているこの場合は投影光学系を通っていないので逆補正する必要性は生じないこの場合設計及びに製造上収差発生の 9 0% 以上を対物レンズが担っている 2-1 球面収差について図 3の様に光学系が理想的 (= 無収差 ) に像を結んで居る所に図 4に示す様に厚さD 屈折率 N の平行平面板を挿入すると球面収差 SAは像側での開口数がSinθとなる光線では SA = D (1/N - tanθ N / tanθ) 但し θ N =sin -1 ( sinθ /N) だけ発生するこの量は縦収差 (= 近軸像面からの光軸方向へのズレ量 ) で Snell の法則から導出したものである図 4 図 3 無収差で結像している例 SA 平行平面板による球面収差 SA 発生例 D N θ

3 次に光学設計プログラム CodeVを使用し球面収差を波面収差で表現し平行平面板の厚さとの関係を示す評価面を近軸像面からデフォーカスさせて波面収差のRMS(Root Mean Square) が最小になった時の値とその時のデフォーカスを図 5 6 に示す更に図 7にはツェルニケ係数で球面収差を表現し平行平面板の厚さとの関係を示した尚今回計算した条件は波長 632.8nm 硝材 S-BSL7 開口数 NAは ,0.4 である最小 RMS (λ) NA = 平行平面板厚さ D (mm) 2-1 アスコマ収差について光学系が理想的に結像している所に図 8 の様に厚さ D 屈折率 N の平行平面板を傾け角 α で挿入するとその時に発生するアス ( 非点収差 )AS とコマ収差 CM は開口数が Sinθ となる光線では AS = Dα 2 (N 2-1)/N 3 CM = Dαθ(N 2-1)/(2N 3 ) だけ発生する 2) この式からコマ収差 CM の発生量は傾け角 α の正負の符号で反転するがアス AS の発生量は傾け角 α の正負の符号に寄らない事が判る α D θ 図 5 平行平面板厚 VS. 最小 RMS デフォーカス (mm) NA = 平行平面板厚さ D (mm) 図 6 平行平面板厚 VS. デフォーカス Zernike 係数 Z 平行平面板厚さ D (mm) NA=0.1 NA=0.2 NA=0.4 NA=0.3 図 7 平行平面板厚 VS. ツェルニケ係数 (Z9: 球面収差分 ) 次に球面収差と同様にツェルニケ係数でアスコマ収差を表現して平行平面板の傾け角との関係を示すとするがまず CodeV を使用した場合にツェルニケ係数を簡便に求める方法について述べるとする平行平面板の傾け角との関係を求める場合の初期の状態は平行平面板を傾けない状態での結像性能を無収差にしておく必要がある無収差としておかないと平行平面板を傾けた時に発生するアスコマ収差に初期に存在した収差が影響して傾けた事による収差発生以外の収差が現れ傾け角に対する敏感度の算出に誤差が発生するからであるこれはツェルニケ係数を使用する場合の注意項目でもあるが例えばツェルニケ係数の四番目の項はデフォーカスを現す成分で 2 次項でしか補正しない為評価面のフォーカスを変えるとその時の収差の状態によっては各ツェルニケ係数の値が変化すると言う事である N 図 8 傾けた平行平面板によるアスコマ収差発生例

4 そこで無収差の状態を簡便に作り出す為に逆ツェルニケ係数と言う概念を新たに考えて使用したのでその手順を以下に説明する例えば物体面を無限遠としある焦点距離の光学系により結像する場合を考える先の球面収差の場合は初期の状態が平行平面板の厚さがゼロなので無収差の結像状態は理想レンズ (CodeV では Black Box レンズ mod コマンドで対応 ) を使用すれば良いところが平行平面板を傾けた時に発生するアスコマ収差のツェルニケ係数成分を求める場合には初期値はある厚さの平行平面板を傾けないで構成する状態であり光学系に理想レンズを使用しても平行平面板により球面収差が発生していて無収差の状態ではない実際の光学系と所定厚さの平行平面板の構成を自動設計により無収差状態まで収差補正して使用しても良いが各種変数 (NA 厚さ硝材 ) が変わる度に収差補正する必要が出てくるので簡便ではないそこで自動設計を必要とせずに簡便に無収差の状態を作り出すのに逆ツェルニケ係数と言う概念を新たに定義して以下の様に使用したまず無収差状態でない場合例えば理想レンズ + 平行平面板のツェルニケ係数を求める CodeV においては CodeV > pma;zfr exp 36;go で 36 のツェルニケ係数が求まるこのツェルニケ係数を求める前に評価面のフォーカスを変化させて波面収差の RMS (Root Mean Square) が最小になる位置に評価面を設定する必要があるこれは球面収差に対してのツェルニケ係数を求める場合にも同様に行った事であるが前述のツェルニケ係数が評価面のフォーカスを変化すると変わる場合がある事を考慮してのことでありこうして求めたツェルニケ係数の四番目の項のデフォーカス分は ( それぞれの Fitting の誤差は生じるが ) ほぼゼロとなっている RMS を最小とデフォーカスするのは CodeV >wav;rfo;go により設定できる次に求めたツェルニケ係数を入射瞳上に正負の符号を逆にして入力する入力後の光学系は無収差光学系となるこの様に正負の符号を逆にして入力するので逆ツェルニケ係数と呼ぶ事とした CodeV においてこの逆ツェルニケ係数を入力する為には Text エディターでファイルを作成しておく必要があるここではそのファイルを input36.int として所定の逆ツェルニケ係数を入力しおき CodeV > int enp input36 で入射瞳に入力する事ができる逆ツェルニケ係数をどの係数まで入力する必要があるかは無収差とどの状態で考えるかであるので逆ツェルニケ係数入力後にその状態での波面収差やツェルニケ係数を算出して判断する必要がある又ここまでの光学系の初期値として理想レンズ + 平行平面板を使用したがこれに限定するものでなく例えば単レンズ + 平行平面板としても同じ手順で無収差光学系とする事ができる逆ツェルニケ係数を入力し無収差と判断した状態で平行平面板を傾け (CodeV で ade コマンドで対応 ) てそこで平行平面板を傾けた時に発生するアスコマ収差のツェルニケ係数成分を求める事が可能となるこの逆ツェルニケ係数を使用した場合と実際に自動設計により無収差状態まで収差補正した光学系を使用した場合とで平行平面板を傾けた時に発生するアスコマ収差のツェルニケ係数成分を求めた結果が同じである事は事前に確認しているこの様な逆ツェルニケ係数と言った新たな概念を導入して使用する場合には信憑性を確かめる必要があるのは当然の事である更にソフトウエア固有の Bug の存在の可能性も考慮して社内作成の光学計算プログラムを使用しても逆ツェルニケ係数の信憑性を確認した

5 今回平行平面板を傾けた時に発生するアスコマ収差のツェルニケ係数成分を簡便に求める為に逆ツェルニケ係数と言う考えを導入したが他の場合においても逆ツェルニケ係数を使用して簡便に光学性能を評価する事ができる例えば光学系の収差補正の仕様がはっきりしていない場合に以下の様に使用する事ができるレーザーを集光して使用したいがその光学仕様が不明だとするその時レンズ設計もまだ収差補正が不完全なものを使用して今の光学条件で収差がどこまでなくなったら集光ビームサイズがどうなるか? を逆ツェルニケ係数を入力して求める事ができその設計条件での収差補正の目標値を算出する事ができる又自動設計時の Local Minimum な状態から抜け出す場合にも効果があるのでは? と考えている ( 現在未検討 ) 図 9 10 にここまで述べてきた我々が今回新たに提案する逆ツェルニケ係数を使用した方法で CodeV を適用して求めたツェルニケ係数でアスコマ収差を表現した平行平面板の傾け角との関係を示しす ( 平行平面板の厚さは 3mm) 2-3. CIS について平行平面板が傾くとアスコマ収差の発生のみでなく波長間の像ズレ CIS も発生する CIS とは Chromatic Image Shift の略であり図 11 に示す様に平行平面板が角度 α 傾くと硝材の色分散 ( 屈折率の波長依存性 ) により波長間 (Chromatic) で像 ( Image) がずれる (Shift) 事を意味している α D N=N (λ) CIS λ 2 λ 1 図 11 傾けた平行平面板による CIS ( Chromatic Image Shift) 発生例 NA= 平行平面板傾け角 α (Deg.) 図 9 平行平面板傾け角 VS. ツェルニケ係数 (Z5: アス分 ) Zernike 係数 Z8 Zernike 係数 Z 平行平面板厚 3mm 平行平面板傾け角 α (Deg.) NA = 0.2 平行平面板厚 3mm 図 10 平行平面板傾け角 VS. ツェルニケ係数 (Z8: コマ収差分 ) 図 11 において平行平面板の波長 λ 1 λ 2 に対する屈折率をそれぞれ N 1 N 2 とすると波長間の像ズレ CIS は CIS = D (tanα 2 -tanα 1 ) cosα 但し α 1 =sin -1 ( sin α /N 1 ) α 2 =sin -1 ( sin α /N 2 ) だけ発生する図 11 では組み立て時での部品の傾きと言う偏心が原因で CIS が発生した例である更に部品単体での心取り誤差角度誤差により CIS は発生する又図 2 の様な TTL アライメント光学系おいては使用画角が狭いので投影光学系で発生する倍率色収差は画角内では変化しない為補正する場合には CIS と考える事が適切であるある半導体プロセスでは露光装置のアライメントで発生する Offset 量と CIS との相関がある事が判明していて CIS を nm オーダーにする必要性がある事が既に報告されている 3) これを達成する為に各光学部品を高精度に作製し無調整で組み立てを行う事は大変困難であり CIS 計測後調整機構で対応する必要性がある

6 3. 平行平面板による収差補正について平行平面板で発生する各収差を定量的に表現できたのでこの発生量で逆補正する事で所望の結像性能にする方法について説明を行うまず設計段階での収差補正について述べる三枚の平行平面板を組み合わせる事で図 2の TTL 方式のアライメント光学系の逆補正系を構成した例を図 12,13に示す今図 2の構成例において投影光学系においてアス AS P コマ収差 CM P だけアライメント波長で発生したとするまず図 12に示すメリジオナル断面において平行平面板 PPP1をコマ収差が -CM P だけ発生させる様傾けるに設定する図 12 図 13 PPP3 PPP3 PPP2 PPP2 PPP1 メリジオナル断面での逆補正系 PPP1 サジッタル断面での逆補正系この時 CISも発生するこのCISと投影光学系で発生する倍率色収差が逆方向の場合には厚さ硝材傾け角を選拓する事で打ち消し合う事が可能である平行平面板 PPP1を傾ける事でアスAS PPP1 も発生するのでサジッタル断面でアスの量を -( AS P + AS PPP1 )/2 だけ発生させる様に平行平面板 PPP2を設定するこの時平行平面板 PPP2によりサジッタル断面内でコマ収差とCISも発生するそこで平行平面板 PPP2と同じ部品を平行平面板 PPP3として平行平面板 PPP2と逆の傾け角で設定する平行平面板 PPP3も平行平面板 PPP2と同じく - ( AS P + AS PPP1 )/2 だけアスが発生するので平行平面板 PPP2 PPP3 合わせて -( AS P + AS PPP1 ) アスを発生でき投影光学系と平行平面板 PPP1で発生したアス ( AS P + AS PPP1 ) を打ち消し合い全体でアスが存在しない様補正する事ができる平面板 PPP3によりサジッタル断面内でコマ収差とCISも発生するが傾け角を逆とした事で平面板 PPP2で発生した値と絶対値は等しく正負の符号は逆の値となる為サジッタル断面内で発生したコマ収差とCISは補正する事ができるこの様に平行平面板 PPP1 PPP2 PPP3を使用する事でアス -AS P コマ収差 -CM P だけ発生する事ができ投影光学系で発生したアライメント波長での収差を逆補正する事が可能となるもちろん三枚の平行平面板が挿入されるのでその分の球面収差が発生するこの増分を考慮して投影光学系 +アライメント光学系の全系で設計段階で補正しておく必要があるこの平行平面板三枚の構成での逆補正系は全ての場合で対応できるものではない例えば図 12でアスの逆補正は投影光学系と平行平面板 PPP1で発生しているアスの和をサジッタル断面に平行平面板 PPP2 PPP3を傾けてサジッタル断面の光路長をメリジオナル断面の光路長より長くする事で補正しているアスの発生がこの方向ではない場合も存在するが同じ様な考えで対応する事は容易でありメリジオナル断面に二枚の異なった厚さの平行平面板を逆の傾け角で配置する事で逆補正が可能となる更に一枚の平行平面板で対応できる場合もあり現実にキヤノン製半導体縮小投影露光装置 FPA3000i5+ の TTL 方式のアライメント光学系の逆補正系は図 14に示す様な一枚のみの平行平面板の構成である PPP4 図 14 メリジオナル断面での逆補正系

7 次に製造段階での収差補正について述べるとする前述の様に投影光学系は露光光に対して徹底的に収差補正され組み立てられているその為非露光光 (= アライメント光 ) で発生する収差の量は大きく投影光学系の組立ての調整時に更にさまざまな収差が発生している ( 含む各レンズの偏心が原因の収差 ) この製造段階での収差補正については一番簡便に行っているのは球面収差のみの補正で設計段階でそれなりの厚さの平行平面板を入れて設計しておき球面収差を計測後別の厚さの部品に交換する事で製造で発生する球面収差の補正を行っている又図の例においては三枚の平行平面板の傾け角を変える事で製造段階での収差補正に対応できるしかしながら傾け角を変えると球面収差アスコマ収差 CIS 全てが変化するそこで予め各種収差への敏感度が異なる所に傾け機構を複数個構成しかつ各平行平面板に対し厚さ硝材が異なる別の部品も用意し調整前の各種収差量を求めた後それぞれの傾き機構に対する傾き量を求め ( 含む部品交換 ) 全収差を組み合わせで補正する事で製造誤差に対して対応する事ができるこの様な収差補正方法を半導体製造の様な高精度の計測系への適用する場合には - 高精度に収差を分離して計測する手段 - 各収差を異なる調整機構への振り分け - 高精度に調整可能な調整機構の技術に支えられて達成できるものである又製造上の誤差として重要なものに照明系がある半導体の計測系においては Telecentricity と言う言葉を本来の瞳が無限遠にあると言う意味でなく被計測物のフォーカスを変えた時の計測値変化が無いと言う意味で使用しているが照明系の不均一が Telecentricity の悪化を生じさせる又照明系の不均一性と球面収差と合わさるとコマ収差の様な挙動となり大問題となる報告者の拙い経験によるものではあるが結像系より照明系を実際作り上げる方が困難との認識があるこの原因は LD や LED 等の光源の光の指向性ファイバーの特性等が実際にはカタログ通りでなかったり 1 個 1 個のばらつきが大きかったり振動や温度等の外乱により変化する為であると思われる新規の照明系の場合は試作が必須と考える 4. 結論今回平行平面板を使用した収差補正に限定して報告を行い厚さ硝材傾け角を変える事で各種収差に対して設計段階製造段階において補正が可能な事を示した別の見方をすれば部品製造誤差組み立て誤差でこの様な収差が発生するので考慮する必要があると言う事であり平行平面板は曲率無限大のレンズであるので実際の Power のあるレンズの場合においても今回求めた敏感度が基本には存在する事になる勿論発生する収差によっては平行平面板のみの使用で逆補正できない場合も存在する平行平面板以外を使用する例としては今回取り上げた計測結像光学系の様な光学倍率が 100 倍程度の高倍率な場合では低画角のみを検出に使用しているのでレンズを偏心系で構成するとか楔シリンドリカルレンズを含む非球面光学系更に張り合わせ部品を組み合わせる事で各種各様な諸収差に対応できる事は判明しているがこの件に関しては機会が有れば別途報告を行いたい以上説明した平行平面板を使用した収差補正方法をアライメント検出系や重ねせ検査装置に適用する事で計測結像光学系のコマ収差等を設計段階製造段階で補正し必要精度を満たし得る光学性能を達成することができ半導体の微細化に伴って要求される高精度化への計測系の対応が可能となる参照文献 1)H.Ina et al.,: 第 23 回光学シンポジウム (1998) 2)Warren J.Smith: Modern Optical Engineering (McGraw-Hill,USA,1966),PP.84 3)E.Kawamura et al., :Jpn.J.Appl.Phys. Vol.36 (1997), Pt.1,No.12B P

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ここまで進化した! 外観検査システムの今表 2 2 焦点ラインスキャンカメラ製品仕様項目仕様ラインセンサ 4K ラインセンサ 2 光学系ビームスプリッター (F2.8) ピクセルサイズ 7μm 7μm, 4096 pixels 波長帯域 400nm ~ 900nm 感度可視光 : 量子 2 焦点ラインスキャンカメラ株式会社ブルービジョン当社はプリズムによる分光を用いた特殊カメラ専用レンズの製造販売を行っている本稿ではプルズム分光技術を使用し可視領域で異なる 2 面に焦点を結ぶようにラインセンサを配置した 2 焦点ラインスキャンカメラ ( 写真 1) および専用レンズについて紹介する 1 開発の経緯と技術的特長透明物体の表面と裏面の画像を同時に取得するまた凹凸のある製品